Para adentrarnos al diseño necesitamos conocer las partes estructurales generales de un avión así como los tipos de estructuras que existen en la actualidad dentro del mundo de la aviación.
La estructura de un avión tiene dos funciones: por un lado transmite y soporta las diversas cargas a las que se ve sometida la aeronave. Por otro lado da la forma externa y la mantiene, indispensable para el vuelo. Esto hace que las chapas de recubrimiento sean un efectivo material resistente, y en función de si esta delgada chapa está rigidizada o no, nos encontraremos con estructuras monocasco o semimonocasco, si las dimensiones son muy grandes y pudieran provocar el pandeo de la estructura con cargas bajas.
Fuselajes reticulados o de recubrimiento no resistente:
Este tipo de estructura fue la primera que se empleó en la construcción de aeronaves, por su relativa sencillez, flexibilidad y fortaleza... Se utiliza normalmente en aeronaves pequeñas, en donde el espacio interno no es una necesidad primordial. Consta de cuatro largueros longitudinales, que forman las
aristas del fuselaje, se mantiene su forma de cajón por medio de otros elementos colocados de forma transversal y diagonal entre los anteriores, de manera interna puede colocarse otros elementos diagonales o utilizar alambres o cables de arriostramiento. Las alas construidas con este tipo de estructuras utilizan costillas que son armadas con estructura reticular y la mayoría de las veces un marco continuo que hace las veces de borde de ataque y fuga, define la forma en planta, que puede o no llevar larguero, en cuyo caso tiene cables tensores o estructuras arriostradas por dentro y/o fuera del ala.
Este tipo de estructura se construye en madera o metal. La metálica normalmente es de tubo de acero 4130 molibdeno y cromo de sección redonda. Para mantener la fortaleza estructural y su flexibilidad, es importante efectuar buenos puntos de unión ya sea pegado, arriostrado y fijado, en caso de estructuras de madera o muy buena soldadura en caso de las metálicas. La cantidad y separación de los elementos estructurales, serán los que den mayor o menor rigidez a la estructura. Estructuralmente no requiere de un revestimiento externo resistente, ya que por su configuración la misma estructura absorbe todos los esfuerzos, por esa razón en los inicios de la aviación estas estructuras eran incluso vistas, es decir, no se las forraba, posteriormente para mejorar la aerodinámica se empezó a cubrirlas con telas impermeabilizadas. Incluso hoy se continúa empleando esta práctica. Es posible agregar componentes tipo cuadernas a la estructura para poder dar una forma circular u ovoide a la sección, pero el espacio central siempre estará ocupado por la estructura y el espacio que quede entre la estructura y el revestimiento no tendrá ninguna utilidad, por eso la necesidad de emplear una estructura que de más utilidad al espacio interno cuando se lo requiera.
Estas estructuras reticulares a nivel de cálculo de ingeniería se realiza o procede de la misma manera como otro tipo de cálculos estructurales como puentes o andamios, por momentos, sumatoria de fuerzas implementando el método de los nodos o método de las secciones.
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 de pratt
:
Los cuatro largueros están unidos entre sí 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 sí 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: estructuras formadas por un revestimiento y refuerzos transversales y longitudinales que hacen posible soportar los esfuerzos de compresión, flexión y torsión sin fallos del revestimiento. Es el tipo empleado con preferencia.
Visual.
Visual.
- Las principales partes estructurales d ion son:
- Revestimiento (skin).
- Transmite las presiones aerodinámicas a los elementos rigidizadores longitudinales y transversales, en los que se apoya.
- Absorbe esfuerzos cortantes, procedentes de las fuerzas cortantes y momentos torsores.
- Colabora con los elementos rigidizadores longitudinales (larguerillos) en absorber esfuerzos normales producidos por momentos flectores y fuerzas axiles.
- Colabora con los larguerillos y cuadernas en absorber los esfuerzos producidos por la presurización.
- Proporciona la forma externa, necesaria para que el avión se comporte según la aerodinámica que se ha calculado.
- Larguerillos (stringers, stiffeners): son perfiles de chapa. Su disposición es según la dirección longitudinal del fuselaje, o el ala, o de las superficies de cola.
- Absorben con el revestimiento esfuerzos normales producidos por la fuerza normal y el momento flector y la presurización.
- Subdividen el revestimiento en paneles, estabilizándolos al dividirlos en paneles más pequeños, y aumentando por tanto la carga de pandeo
- Largueros (spars): son vigas. En ellas diferenciamos habitualmente el alma (web) y los cordones de larguero (spar caps o spar flanges). Los cordones de larguero y los larguerillos se diferencian en que los últimos aguantan menos las cargas a pandeo como columna: los cordones de larguero están estabilizados por el revestimiento y además por el alma.
- Costillas y cuadernas (ribs y frames): son elementos rigidizadores transversales (los anteriores son longitudinales). Reciben el nombre de costillas las que van situadas en alas y timones, y cuadernas (o mamparos si son ciegos) los del fuselaje.
- Mantienen la forma de la sección
- Difunden las cargas concentradas, en forma de carga distribuida a los elementos adyacentes
- Disminuir la longitud efectiva de los larguerillos
- Colabora con el revestimiento en soportar esfuerzos circunferenciales debidos a presurización.
