Viga voladiza

Una imagen esquemática de tres tipos de cañón. El ejemplo superior tiene una conexión de momento completo (como un asta horizontal atornillado al lado de un edificio). El ejemplo medio es creado por una extensión de un simple rayo soportado (como la forma en que una tabla de buceo está anclada y se extiende sobre el borde de una piscina). El ejemplo inferior se crea añadiendo una condición de límite de Robin al elemento del haz, que esencialmente añade un resorte elástico al tablero final. El ejemplo superior e inferior puede considerarse estructuralmente equivalente, dependiendo de la rigidez efectiva del elemento de resorte y haz.

Un voladizo es un elemento estructural rígido que se extiende horizontalmente y se apoya en un solo extremo. Por lo general, 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 se puede formar como una viga, placa, armadura o losa.

Cuando se somete a una carga estructural en su extremo más lejano sin soporte, el voladizo lleva la carga al soporte donde aplica un esfuerzo cortante y un momento de flexión.

La construcción en voladizo permite estructuras colgantes sin soporte adicional.

En puentes, torres y edificios

Los voladizos se encuentran ampliamente en la construcción, especialmente en puentes y balcones en voladizo (ver ménsula). En los puentes en voladizo, los voladizos generalmente se construyen en pares, y cada voladizo se usa para soportar un extremo de una sección central. El Forth Bridge en Escocia es un ejemplo de un puente de celosía 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 completa no actúa como un voladizo. Esto es muy útil cuando no se pueden usar soportes temporales o cimbras para sostener la estructura mientras se construye (p. ej., sobre un camino muy transitado o un río, o en un valle profundo). Por lo tanto, algunos puentes de arco de celosía (ver Puente Navajo) se construyen desde cada lado como voladizos hasta que los tramos se tocan entre sí y luego se separan para tensarlos en compresión antes de unirlos finalmente. Casi todos los puentes atirantados se construyen en voladizos ya que esta es una de sus principales ventajas. Muchos puentes de vigas cajón se construyen por segmentos 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 desde un solo soporte.

Estas estructuras dependen en gran medida del par y el equilibrio rotacional para su estabilidad.

En una aplicación arquitectónica, Fallingwater de Frank Lloyd Wright utilizó voladizos para proyectar grandes balcones. El East Stand en Elland Road Stadium en Leeds fue, cuando se completó, el stand en voladizo más grande del mundo con capacidad para 17,000 espectadores. El techo construido sobre las gradas en Old Trafford usa un voladizo para que ningún soporte bloquee las vistas del campo. El antiguo (ahora demolido) Miami Stadium tenía un techo similar sobre el área de espectadores. El techo en voladizo más grande de Europa se encuentra en St James' Park en Newcastle-Upon-Tyne, el estadio del Newcastle United F.C.

Ejemplos menos obvios de voladizos son las torres de radio independientes (verticales) sin cables de sujeción y las chimeneas, que se resisten a ser arrastradas por el viento gracias a la acción del voladizo en su base.

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  El puente de Forth, un puente de fiss de cañón

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  Este puente concreto funciona temporalmente como un conjunto de dos volátiles equilibrados durante la construcción – con más volátiles apostando para apoyar el trabajo en forma.

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  Howrah Bridge en India, un puente de cañón

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  Un balcón de la casa Fallingwater, de Frank Lloyd Wright

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  Una cubierta de ferrocarril y una cerca en el viaducto Cantón

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  Un granero en el campo de Tennessee

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  Cantilever barn at Cades Cove

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  Un edificio doble embarcado en Cambridge, Inglaterra

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  Cantilever ocurre en el juego "Jenga"

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  Fachada Cantilever de Riverplace Tower en Jacksonville, Florida, por Welton Becket y KBJ Architects

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  Esta radiografía de una restauración dental "puente" cuenta con una corona a la izquierda.

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  Ronan Point: Fallo estructural de parte de los suelos se puedetilever de un eje central.

Aviones

El pionero Junkers J 1 monoplano todo-metal de 1915, el primer avión a volar con alas cantilever

El voladizo se usa comúnmente en las alas de los aviones de ala fija. Los primeros aviones tenían estructuras ligeras que estaban reforzadas con cables 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 cantilever en 1915. Solo una docena de años después de que los hermanos Wright ' En los vuelos iniciales, Junkers se esforzó por eliminar prácticamente todos los principales elementos de arriostramiento externos para disminuir la resistencia del fuselaje en vuelo. El resultado de este esfuerzo fue el monoplano totalmente metálico Junkers J 1 de finales de 1915, diseñado desde el principio con paneles de ala en voladizo 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 en voladizo construido con materiales de madera, el Fokker V.1.

de Havilland DH.88 Comet G-ACSS, ganador de la Gran Carrera Aérea de 1934, mostrando su ala de cantilever

En el ala en voladizo, una o más vigas fuertes, llamadas largueros, corren a lo largo del tramo del ala. El extremo fijado rígidamente al fuselaje central se conoce como raíz y el extremo lejano como punta. En vuelo, las alas generan sustentación y los largueros transportan esta carga hasta el fuselaje.

Para resistir el esfuerzo cortante horizontal de la resistencia o del 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 larguero de arrastre más pequeño más cerca del borde de salida, arriostrado al larguero principal a través de miembros internos adicionales o una piel estresada. El ala también debe resistir las fuerzas de torsión, logradas mediante arriostramientos transversales o rigidizando de otra manera la estructura principal.

Las alas en voladizo requieren largueros mucho más fuertes y pesados que los que se necesitarían en un diseño de refuerzo de alambre. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad de la aeronave, la resistencia aerodinámica del arriostramiento aumenta considerablemente, mientras que la estructura del ala debe fortalecerse, generalmente aumentando la resistencia de los largueros y el grosor 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 hacer un voladizo sin penalización por exceso de peso. Los aumentos en la potencia del motor a fines de la década de 1920 y principios de la de 1930 elevaron las velocidades a través de esta zona y, a fines de la década de 1930, las alas en voladizo habían reemplazado casi por completo a las arriostradas. Otros cambios, como cabinas cerradas, tren de aterrizaje retráctil, flaps de aterrizaje y construcción de piel estresada, impulsaron la revolución del diseño, y el momento crucial fue ampliamente reconocido como la carrera aérea MacRobertson Inglaterra-Australia de 1934, que fue ganada por un de Havilland DH.88 Cometa.

Actualmente, las alas en voladizo son casi universales y los refuerzos solo se utilizan en algunas aeronaves más lentas en las que se prioriza un peso más ligero sobre la velocidad, como en la clase de ultraligeros.

En sistemas microelectromecánicos

Imagen SEM de un contenedor AFM usado

Las vigas en voladizo son las estructuras más omnipresentes en el campo de los sistemas microelectromecánicos (MEMS). Un ejemplo temprano de un voladizo MEMS es el Resonistor, un resonador monolítico electromecánico. Los voladizos MEMS se fabrican comúnmente con silicio (Si), nitruro de silicio (Si₃N₄) o polímeros. El proceso de fabricación generalmente implica socavar la estructura en voladizo para liberarla, a menudo con una técnica de grabado anisótropo húmedo o seco. Sin transductores en voladizo, la microscopía de fuerza atómica no sería posible. Un gran número de grupos de investigación están intentando desarrollar matrices en voladizo como biosensores para aplicaciones de diagnóstico médico. Los voladizos de MEMS también están encontrando aplicación como filtros de radiofrecuencia y resonadores. 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 final en voladizo δ con la tensión aplicada σ:

δ δ =3σ σ ()1− − .. )EL2t2{displaystyle delta ={frac {3sigma left(1-nu right)}{E}{frac {fnK}} {f}}}} {fn}}}}} {f}}}} {f}}}}}}}} {fn}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}

Donde .. {displaystyle nu } es la relación de Poisson, E{displaystyle E} Es el módulo de Young, L{displaystyle L. es la longitud del haz y t{displaystyle t} es el grosor del cañón. Se han desarrollado métodos ópticos y capacitivos muy sensibles para medir los cambios en la deflexión estática de los rayos cantilever usados en sensores dc-coupled.

La segunda es la fórmula relativa a la constante primaveral del cantilever k{displaystyle k} a las dimensiones y las constantes materiales del cañón:

k=Fδ δ =Ewt34L3{displaystyle k={frac {F}{delta }={frac {Ewt^{3} {4L^{3}}}}

Donde F{displaystyle F} es fuerza y w{displaystyle w} es el ancho del cañón. La constante de primavera está relacionada con la frecuencia de resonancia de los volátiles ⋅ ⋅ 0{displaystyle omega ¿Qué? por la fórmula de oscilador armónico habitual ⋅ ⋅ 0=k/mequivalente{displaystyle omega ¿Qué? {k/m_{text{equivalent}}}}. Un cambio en la fuerza aplicada a un contenedor puede cambiar la frecuencia de resonancia. El cambio de frecuencia se puede medir con una precisión exquisita utilizando técnicas de heterodina y es la base de sensores de ac-coupled cantilever.

La principal ventaja de los voladizos MEMS es su bajo costo y la facilidad de fabricación en conjuntos grandes. El desafío para su aplicación práctica radica en las dependencias cuadradas y cúbicas de las especificaciones de rendimiento del voladizo en 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. Sin embargo, se ha demostrado que los espesores de los microvoladizos se pueden medir con precisión y que esta variación se puede cuantificar. Controlar la tensión residual también puede ser difícil.

MEMS cantilever in resonance

Aplicaciones de sensores químicos

Se puede obtener un sensor químico revistiendo una capa de receptor de reconocimiento sobre el lado superior de un haz de microvoladizo. 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 estático de operación, la respuesta del sensor está representada por la flexión del haz con respecto a un microvoladizo de referencia. Alternativamente, los sensores de microcantilever se pueden operar en el 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 un área de superficie mucho más grande 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. La tensión superficial en el microvoladizo, debido a la unión receptor-objetivo, que produce la desviación del voladizo, puede analizarse mediante métodos ópticos como la interferometría láser. Zhao et al., también demostraron que al cambiar el protocolo de fijación del receptor en la superficie del microvoladizo, la sensibilidad se puede mejorar aún más cuando la tensión superficial generada en el microvoladizo se toma como señal del sensor.