Curso Materiales de Construccion CAPITULO I

CAPITULO I: PRINCIPALES PROPIEDADES DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION

TRABAJO DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION EN LA ESTRUCTURA

Toda estructura está solicitada por cargas y se somete a la acción del medio ambiente.

Las cargas provocan en el material deformaciones y tensiones internas; por lo tanto es necesario conocer las propiedades mecánicas del material (resistencia mecánica)

El medio ambiente tiene influencia física y química mediante:- Aire, vapores y gases.- Agua y de las sustancias disueltas en ella.- Variación de temperatura y humedad.- Acción conjunta del agua y del frío durante la congelación y

descongelación- Repetidas, por ello los materiales deben poseer estabilidad.

Clasificación de los materiales.- Partiendo de las condiciones en que trabaja el material y ateniéndose a su uso:

1er. Grupo: Materiales de tipo universal, aptos para las estructuras portantes.

1. Materiales de piedra naturales.2. Materiales de piedra artificiales:

. A base de aglomerantes sin cocción (morteros concretos)

. Obtenidos por tostación de materia prima mineral (materiales de cerámica, vidrio,

sitales)3. Metales (acero, fundición, aluminio, aleaciones)4. Plásticos de construcción (plástico de fibra de vidrio, etc.)5. Madera

2do Grupo: Materiales de destino especial, para proteger las estructuras contra las influencias dañinas del medio ambiente, así como elevar las propiedades operacionales de los edificios y crear confort.

1. De aislamiento térmico2. Acústicos3. Hidropermeables, de techado y para hermetizar.4. Para el acabado.5. Anticorrosivos.6. Refractarios.

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Ing. Luis Alfaro Ravello 1 Materiales de construcción

CLASIFICACIÓN DE LAS PROPIEDADES

Las propiedades básicas y especiales de los materiales de construcción se dividen en los siguientes grupos:

1. Propiedades de Estado y características estructurales.- Definen:

- Propiedades técnicas: composición química, mineral y de fase.- Características específicas de la masa (densidad y masa volumétrica) y su

porosidad.

- Dispersión de los materiales pulverulentos.2. Propiedades Físicas: propiedades reológicas de los materiales que poseen

plasticidad y viscosidad; propiedades hidrofísicas, físico-térmicas, acústicas, eléctricas que determinan la actitud del material frente a diferentes procesos físicos, estabilidad contra la corrosión física (resistencia al frío, a la radiación, al agua)

3. Propiedades Mecánicas: se refieren al comportamiento del material al someterlo a la acción deformativa y destructiva de cargas mecánicas (resistencia mecánica, dureza, elasticidad, plasticidad, fragilidad, etc.)

4. Propiedades Químicas: Capacidad para las transformaciones químicas y estabilidad contra la corrosión química.

5. Durabilidad y Seguridad (fiabilidad)

Estandarización de las Propiedades

Las propiedades de los materiales se estiman recurriendo a índices numéricos establecidos mediante ensayos de acuerdo con los estándares.

Los trabajos de estandarización en escala internacional están a cargo de la ORGANIZACIÓN INTERNACIONAL DE ESTANDARIZACION ISO (1947), cuyo propósito es el de contribuir al desarrollo favorable de la estandarización en el mundo entero, a fin de facilitar el intercambio internacional de mercancías y desarrollar la colaboración mutua en el área de la actividad científica, técnica y económica.

RELACIÓN ENTRE LA ESTRUCTURA Y LAS PROPIEDADES

El conocimiento de la estructura de un material de construcción es indispensable para conocer sus propiedades, y en definitiva, para saber donde y como utilizarlo a fin de lograr el mayor efecto técnico económico.

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Niveles de estudio de la estructura:

1. La Macro estructura: La composición que se ve a simple vista. La macro estructura de los materiales duros puede ser de los siguientes tipos:

a) De Conglomerados artificiales.- Es un grupo que reúne los concretos, una serie de materiales cerámicos y otros.

b) La Estructura Celular.- Se caracteriza por la presencia de macro poros inherentes a los concretos alveolares y celulares, así como a los plásticos celulares.

c) La Estructura de poros finos.- Es inherente, por ejemplo, a los materiales cerámicos, cuya porosidad se obtiene aplicando los procedimientos de íntimo amasado con agua e introduciendo adiciones que se queman durante la cocción.

d) La Estructura Fibrosa.- Es inherente a la madera, plásticos de fibra de vidrio, artículos de algodón mineral, etc. Su particularidad consiste en que poseen gran diferencia de la resistencia, conductibilidad térmica y de otras propiedades a lo largo y a través de las fibras.

e) La Estructura Estratificada.- Está bien expresada en los materiales en rollo, en chapas y en placas. En particular, la tienen los plásticos con relleno laminar (plástico basándose en papel, texolita, etc.)

f) De granos mullidos (pulverulenta)- Son los áridos para el concreto, los materiales granulares y pulverulentos para el mástique de aislamiento térmico, los rellenos, etc.

2. La Micro estructura: La composición que se ve en microscopio óptico.El micro estructura de las sustancias que integran el material puede ser cristalina o amorfa.

3. La Estructura Interna de las sustancias que integran el material a nivel molecular-iónico: determina la resistencia mecánica, dureza, el carácter refractario y otras propiedades importantes del material. Es estudiada recurriendo a los métodos del análisis por rayos X, de la microscopía electrónica, etc.

COMPOSICION QUIMICA, MINERALOGICA Y DE FASE DE UN MATERIAL

a. Composición química : Da una idea de ciertas propiedades del material:

- Resistencia al fuego- Estabilidad biológica- Características mecánicas y otras.

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La composición química de los aglomerantes inorgánicos (cemento, cal, etc.) y de los materiales de piedra resulta cómoda expresarla mediante la cantidad de óxidos (en %) que contienen. Los óxidos básicos y ácidos están vinculados químicamente entre sí y forman minerales que son los que definen muchas propiedades del material.

b. Composición Mineralógica : Muestra tipos y cantidades de minerales que contiene el aglomerante ó el material de piedra.Ejemplo:: En el cemento Portland el silicato tricálcico está contenido en un 45-60%; además al aumentar su cantidad, se acelera el fraguado y aumenta la resistencia mecánica del concreto.

c. La Composición de Fase del material y la transición de fase del agua contenida en sus poros, ejercen influencia sobre todas las propiedades y el comportamiento del material durante la explotación. En el material, se pueden destacar las sustancias sólidas que forman las paredes de los poros, es decir la “carcasa” del material y los poros llenos de aire y agua. Si el agua se congela, el hielo formado en los poros modificará las propiedades mecánicas y termotecnias del material. Además, el aumento del volumen del agua que se congela en los poros provoca tensiones internas capaz de destruir el material durante los ciclos repetidos de congelación y descongelación

PARAMETROS DEL ESTADO DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION

Densidad (Kg / m3):

Es la masa de la unidad de volumen de un material absolutamente compacto.

m m: masa del material Va : Volumen absoluto en estado compacto

Va

Densidad relativa: Cociente entre la densidad del material y la densidad del agua. Es adimensional

Los materiales de construcción son porosos, a excepción de los metales, vidrio, monominerales.

Vn = Va + Vp

Vn : Volumen del material poroso en estado natural (es decir junto con los poros encerrados en él)

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Va : Volumen de la sustancia sólidaVp : Volumen de los poros

Masa volumétrica (Kgr/m3)

Es la masa de la unidad de volumen del material en estado natural

; = h ( 1 + Wn)

= masa volumétrica seca h = masa volumétrica húmeda

Wn = Cant. De agua en el material en fracciones de su masa.

Obs.- La masa volumétrica de los materiales porosos es siempre menor que su densidad

<

Ejm.: concreto ligero.

: (500 a 1,800) Kgr/m3 : 2,600 Kgr/m3

- la masa volumétrica de los materiales de construcción oscila entre:

. Plástico poroso de resinade urea – formaldehído -------- = 15 Kgr/m3

. Acero -------- = 7,850 Kgr/m3

CARACTERISTICAS ESTRUCTURALES DE LOS MATERIALES

DE CONSTRUCCION

La estructura de un material poroso se caracteriza:

- Por la porosidad general, abierta y cerrada.- Por la distribución de los poros a tenor de sus radios.- Por el radio medio de los poros.- Por la superficie interna específica de los poros.

Porosidad (P): Grado en que el volumen del material resulta ocupado por los poros.

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P : Porosidad expresada en % del volumen Obs. : P en los materiales de construcción: de 0 hasta 98 %

Coeficiente de densidad ( K den )

Es el grado en que el volumen del material queda ocupado por la sustancia sólida.

Es decir el material seco puede representarse como constituido por una armazón sólida que garantiza su resistencia mecánica, y por los poros de aire.

Tabla: Propiedades principales de los materiales de construcción en estado secado al aire

M A T E R I A L PesoEspecífico(Kg/m3)

Masa Volum.

( Kg/m3 )

Porosidad( %)

Conductividad

Térmica(W/m0C)

Concreto pesado 2,600 2,400 10 1.16Concreto ligero 2,600 1,000 61.5 0.35Concreto celular 2,600 500 81 0.2Ladrillo corriente 2,650 1,800 32 0.8Ladrillo hueco 2,650 1,300 51 0.55Granito 2,700 2,670 1.4 2.8Toba volcánica 2,700 1,400 52 0.5Vidrio de ventana 2,650 2,650 0 0.58Vidrio celular 2,650 300 88 0.11Materiales polímeros Plástico basándose en fibra de vidrio 2,000 2,000 0 0.5 Resina de urea – formaldehído (polímero

esponjado)1,200 15 98 0.03

Madera pino 1,530 500 67 0.17Madera tabla de fibras 1,500 200 86 0.06

Tabla : Valores relativos de la permeabilidad ( Se adopta permeabilidad del ladrillo = 1)

MATERIALPERMEAB. AL

VAPORPERMEAB. AL GAS

Ladrillo de arcilla 1 1Concreto ligero 0.8 0.9Ladrillo de Trípoli 2.2 4.2Caliza 0.7 1.2______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


Concreto de grava 0.25 0.1

Porosidad abierta ( Pa) : Cociente entre el volumen total de todos los poros impregnados por agua y el volumen del material Vn.

M1 = Masa de la muestra en estado secaM2 = Masa de la muestra en estado saturado de agua

Porosidad cerrada ( PC ):

Obs.: Un material poroso contiene, por regla general, tanto poros abiertos como cerrados. El aumento de la porosidad cerrada a costa de la abierta incrementa su durabilidad, sin embargo, en los materiales y artículos de aislamiento acústico se recurre intencionalmente a la porosidad abierta y a la perforación que son necesarios para absorber la energía sonora.

PROPIEDADES FISICAS DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION

1. PROPIEDADES HIDROFISICAS

Hidroscopicidad : Propiedad de un material poroso capilar de absorber el vapor de agua del aire húmedo. Es un proceso de absorción y condensación capilar de la humedad de la atmósfera.

La humedad de los materiales de construcción porosos, incluso después de mantenerlos un tiempo prolongado al aire, es bastante grande Ejm.:

La humedad de la madera secada al aire: 12-18 % La humedad en los materiales para paredes: 5–7 % de la masa.

Aspiración capilar del agua por el material poroso, sucede cuando una parte de

la estructura esta sumergida en el agua. Así, el agua freática puede subir por los

capilares y humedecer la parte inferior de la pared de un edificio. Para evitar la

humedad en el local se recurre a una capa de hidrófugo que separa la parte del

cimiento de la pared respecto a su parte superficial.

La aspiración capilar se caracteriza por:

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La altura de elevación del agua en el material La cantidad de agua absorbida La intensidad de succión

La altura h de elevación del liquido en el capilar:

Obs.:

a) Los poros en el concreto y en otros materiales tienen forma irregular y sección transversal variable, por eso la formula expuesta es valida solo para un examen cualitativo del fenómeno.

b) La altura de aspiración del agua se determina utilizando el método de “Átomos marcados”, ó bien ateniéndose a la variación de la conductibilidad eléctrica del material.

El volumen del agua absorbido por el material debido a la aspiración capilar durante el tiempo “ t ” en la etapa inicial se ciñe a la ley parabólica:

La disminución de la intensidad de aspiración ( valor de k), expresa el mejoramiento de la estructura del material ( por ejemplo, del concreto) y el aumento de la resistencia al frío.

Obs.:

La hidroscopia, comúnmente es menor que la porosidad. Ejm. : caso del concreto ligero:

Porosidad : 50 – 60 % Hidroscopia : 20 - 30 % del volumen.

La hidroscopia puede relacionarse con el volumen y con la masa:

Hidroscopia volumétrica wv (%) es el grado en que el volumen del material se llena por el agua:

Hidroscopia másica - Wm (%): Se determina por la relación a la masa del material seco.

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Dividiendo m.a.m., se obtiene en % :

WV = Wm = Referida a la densidad del agua (adimensional).

La hidroscopia de los diferentes materiales oscila dentro de amplios limites:

Granito : 0.02 - 0.7 % Concreto pesado compactado : 2 - 4 % Ladrillo : 8 - 15 % Materiales porosos para Aislamiento térmico : 100 % →

La hidroscopia másica de los materiales muy porosos puede ser mayor que la porosidad; pero la hidroscopía volumétrica jamás lo sobrepasará.

La hidroscopia se utiliza para evaluar la estructura del material, introduciendo para ello el coeficiente de saturación de los poros por el agua ks.

Wv = Hidroscopia volumétrica

P= Porosidad

ks = varia entre 0 y 1:

ks = 0: Todos los poros en el material están cerrados.

ks = 1: Todos los poros en el material están abiertos.

La disminución de ks ( para una misma porosidad) evidencia sobre la reducción de la porosidad abierta, lo que se refleja, generalmente, en el aumento de la resistencia al frío.

La hidroscopia influye negativamente sobre las principales propiedades del material:

Aumenta la masa volumétrica El material se hincha Crece su conductibilidad térmica Decrece la resistencia mecánica Decrece la resistencia al frío.

Coeficiente de Reblandecimiento ( kr) Caracteriza la resistencia al agua del material.

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Ra : resistencia mecánica del material saturado de agua

Rs : resistencia mecánica del material seco

kr varia de 0 á 1:

Arcillas empapadas de agua kr = 0 Metales kr = 1

Obs.: Los materiales de piedra naturales y artificiales no se utilizan en las estructuras de construcción que se hallan sumergidas en agua, sí kr = 0.8

Permeabilidad : Propiedad del material de hacer pasar el agua bajo presión, y está se determina por el coeficiente de filtración kf.

S : área del muro a través del cual penetra el agua (m2)a : espesor del muro (m)t : tiempo que demora la penetración (h)(P1 - P2): diferencia de presión hidrostática en las paredes del muro (metros de

columna de agua)

kf : tiene la dimensión de velocidad.

Sí S =1 m2; a = 1 m; t = 1 h; P1 - P2 = 1 m col. de agua entonces kf = Va

Contra la permeabilidad se lucha al edificar obras hidrotécnicas, tanques, colectores, al elevar muros de sótanos. Se procura emplear materiales bastante densos con poros cerrados, colocar capas hidrófugas, pantallas.

Permeabilidad a Gases y Vapores

Cuando cerca de las superficies de una protección surge cierta diferencia de presión del gas, ocurre su desplazamiento a través de los poros y las fisuras del material.

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Obs. :

a) El material para paredes debe poseer cierta permeabilidad; entonces la pared “ respirará ”, es decir, a través de las paredes exteriores se realizará la ventilación natural. Esto es importante en edificios para viviendas que carecen de acondicionamiento del aire. Es por eso que las paredes de los edificios para viviendas, hospitales, etc., no se acaban con materiales que retienen el vapor de agua.

b) En el caso de las paredes y recubrimientos de edificios industriales húmedos, deberán protegerse en la parte interior contra la penetración del vapor de agua.

c) En la temporada de invierno, dentro de los locales con calefacción (fábricas textiles, empresas municipales, vaquerías, pocilgas, etc.), en 1 m3 de aire hay mucho mas vapor de agua que en el exterior, por eso el vapor tiende a pasar a través de la pared ò del recubrimiento. Penetrando a la parte fría del revestimiento, el vapor se condensa, aumentando básicamente la humedad en esos lugares. Se crean condiciones favorables para la destrucción rápida del material ( concreto ligero, ladrillo), de la estructura exterior que protege contra la acción de la helada.

d) Los materiales impermeables al vapor deben colocarse en aquel lado de la protección donde el contenido de vapor de agua en el aire es mayor.

e) En una serie de casos tales como tanques para almacenar gases, es necesaria una impermeabilidad al gas prácticamente completa, así mismo en obras especiales como los refugios antigás, donde el espacio interior debe protegerse contra la penetración del aire contaminado.

f) La permeabilidad a vapores y gases depende, en sumo grado, de la estructura del material ( de su masa volumétrica y porosidad)

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Deformaciones por humedad

Los materiales porosos orgánicos é inorgánicos (concreto, madera, etc.), varían su volumen y sus dimensiones al cambiar la humedad.

Contracción: Reducción de las dimensiones del material al secarlo. Se provoca la disminución del espesor de las capas de agua que rodean las partículas del material, y por la acción de las fuerzas internas capilares que tratan de acercar las partículas del material.

Hinchamiento : Sucede al impregnar el material con agua. Las moléculas polares del agua, penetrando en el espacio entre las partículas ò fibras que componen el material, las ensanchan, engrosando con esto las capas hidratadas alrededor de las partículas, haciendo desaparecer los meniscos interiores y junto con ellas las fuerzas capilares.

La alternación del secado y mojado de un material poroso, hecho que sucede ha menudo en la práctica, va acompañada de las deformaciones alternativas de la contracción y el hinchamiento. Semejantes influencias cíclicas repetidas multitud de veces provocan con frecuencia la aparición de grietas que aceleran la destrucción. En condiciones similares se halla el concreto en el pavimento y en las partes exteriores de las obras hidrotécnicas.

Obs.: a) Los materiales con alto contenido de poros (madera, concretos celulares)

que son capaces de absorber mucha agua, se caracterizan por gran contracción:

TIPO DE MATERIALCONTRACCION

(mm./ m)Madera (de través a la fibra) 30 – 100Concreto celular 1 – 3Mortero para construcción 0.50 – 1Ladrillo de arcilla 0.03 – 0.1Concreto pesado 0.30 – 0.7Granito 0.02 – 0.06

b) La contracción aparece y crece cuando del material se elimina el agua

que se encuentra en las capas hidratadas de las partículas y en los poros menudos. La evaporación del agua apartir de los poros grandes no conduce al acercamiento de las partículas del material y no provoca prácticamente cambios volumétricos.

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Resistencia al frío : Propiedad de un material saturado de agua que se opone a la congelación y la descongelación alternadas.

En la URSS. : La marca de la resistencia al frío se fija en el proyecto, considerando el tipo de estructuras, las condiciones de su explotación y climáticas; se tiene:

MATERIAL ESTRUCTURA R frió (Kg / cm2)

Concretos ligeros, ladrillo, piedras cerámicas para las paredes exteriores de los edificios.

150 , 250 , 350

Concreto para puentes y carreteras 500 , 1000 , 2000Concreto hidrotécnico hasta 5000

Causas que destruyen un material poroso bajo la acción conjunta del agua y frío:Ejm.: material que se encuentra en la estructura de recubrimiento

En la parte exterior de la pared la temperatura es menor y por lo tanto la

presión del vapor de agua también es menor que en la parte interior.

El vapor trata entonces a salir afuera y va ha parar a la zona de temperaturas

bajas y se condensa en los poros cerca de la cara exterior de la pared.

Así pues; se llenan de agua los poros de la parte exterior de la pared, con la

particularidad de que el agua proviene hacia aquí, tanto del exterior ( lluvia

con viento), como desde el interior.

Cuando llega el frío, el agua en los poros grandes se congelan y al

transformarse en hielo aumenta el volumen en el 9 % ( La densidad del

hielo es de 0.918)

Si el coeficiente de saturación por el agua, aunque sea en una parte de los

poros, se aproxima a 1, en las paredes de los poros surgirán grandes

tensiones de tracción.

La destrucción empieza, generalmente en forma de “excavación ” de la

superficie del concreto, después se extiende hacia adentro.

El efecto que ejercen sobre el concreto la congelación y descongelación

alternadas es semejante a la acción repetida de la carga de tracción que provoca

la fatiga del material.______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


Con la ayuda de método del control: ultracústico por impulsos se puede observar

la variación de la resistencia mecánica ó del modo de elasticidad del concreto, en

función de la resistencia al frío en los ciclos de congelación y descongelación,

cuya cantidad corresponde a la reducción admisible de la resistencia R y del

modo de elasticidad E.

a) Distribución de la temperatura en la pared exterior de un edificiob) Como llena el agua un poro dispuesto cerca de la cara de fachada

1. boca del poro2. agua absorbida 3. agua pluvial 4. condensado

c) Curva de relación de la resistencia mecánica del concreto en función de los ciclos de congelación y descongelación.

2. PROPIEDADES TERMOTECNICAS

Conductibilidad térmica: Propiedad del material de transmitir el calor de una superficie a otra. Es utilizada en un grupo amplio de materiales de aislamiento térmico, construcción de paredes exteriores y recubrimiento de los edificios.

El flujo térmico pasa a través de la “carcasa ” sólida y las células de aire en el material poroso. La conductibilidad térmica del aire ( = 0.023 w/(m0C)) es menor que la de la sustancia sólida que compone la carcasa, por ello el aumento de la porosidad del material es el principal método para reducir . Tienden a

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crear en el seno el material poros menudos y cerrados a fin de reducir la cantidad de calor transmitido por convección y radiación.

Fórmula de V.P. Nekrasov

o = Masa volumétrica relativa del material de piedra ( expresada con relación al agua)

El valor exacto de se determina por vía experimental.

El agua que penetra en los poros del material aumenta su conductibilidad térmica , ya que este parámetro para el agua es 0.58 w / m oC, es decir 25 veces mayor que la del aire. La congelación del agua en los poros, formándose hielo, aumenta en 4 veces mas el valor de ( para la escarcha es de 0.1 y para el hielo 2.3 w / (m oc))

Al elevar la temperatura, para la mayoría de los materiales aumenta, y solo de unos pocos disminuyen ( metales, refractarios de magnesio)

Capacidad calorífica: Se determina por la cantidad de calor que es necesario transmitir a 1 kg. de material dado para aumentar su temperatura en 1 oC.

En los mat. inorgánicos (concreto, ladrillos, mat. de piedra naturales) 0.75 á 0.92 kJ / kg

oC

Material orgánico secos (madera) ~ 0.7 “ Agua 1.0 “

Con el aumento de la humedad de los materiales crece la conductibilidad calorífica

Poder refractario: Propiedad del material de soportar la acción prolongada de alta temperatura ( 1,580 oC ) sin reblandecer ni deformarse.

Los materiales de alta temperatura de fusión reblandecen a temperaturas superiores a 1,350 oC.

Resistencia al fuego (Estabilidad térmica): Propiedad del material de soportar la acción del fuego en caso de incendio durante un tiempo determinado.

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Depende de la combustibilidad del material, es decir de la capacidad de inflamase y arder.

Los materiales incombustibles son: concreto, ladrillo seco, etc. ; sin embargo es necesario tener en cuenta que algunos materiales incombustibles durante el incendio se agrietan ( el granito) ó se deforman mucho ( los metales) a temperaturas de 600 oC, por ello con frecuencia las estructuras de aquellos ó semejantes materiales se protegen por otros más resistentes al fuego.

Los materiales de difícil combustión bajo la acción del fuego ó de una temperatura alta arden sin llama, pero una vez terminada la acción del fuego, cesa su combustión y el ardimiento sin llama, Ejm.: el concreto asfáltico, la madera impregnada de ignífugos, la fibrolita, algunas espumas sintéticas.

Es imprescindible proteger de la inflamación los materiales orgánicos combustibles que arden con llamas abiertas. Se recurre a medios constructivos que excluyen la influencia directa del fuego sobre el material en condiciones de incendio. Se aplican ignífugos como material de protección.

Obs:

El coeficiente de dilatación térmica lineal para:

Concreto y del acero : 10 x 10-6 oC-1

Granito : 10 x 10-6 oC-1

Madera : 20 x 10-6 oC-1

Durante los cambios de temporada el medio ambiente y el material suele variar en 50 oC; con esto la deformación térmica relativa alcanza 0.5 x 10-3 ó 1 x 10-3, decir 0.5 ó 1 mm / m. Para evitar el agrietamiento, las obras de gran envergadura se separan por juntas de deformación.

PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION

1. Propiedades de deformación

Elasticidad del cuerpo sólido: Propiedad de restablecer espontáneamente la forma y las dimensiones iniciales una vez eliminada la solicitación de la fuerza externa. La deformación elástica desaparece por completo cuando cesa de actuar la fuerza exterior (deformación reversible)

Plasticidad del cuerpo sólido: Propiedad de variar la forma y las dimensiones bajo la acción de fuerzas externas sin destrucción; en este caso, una vez que cesa de actuar la fuerza, el cuerpo no puede recobrar espontáneamente sus

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dimensiones y forma, quedando en él cierta deformación permanente llamada deformación plástica (deformación irreversible)

Las fuerzas exteriores aplicadas al cuerpo provocan el cambio de las distancias interatómicas, a causa de lo cual se modifican las dimensiones del cuerpo en el valor de l en la dirección que obra la fuerza (el alargamiento durante la tracción y el acortamiento durante la comprensión)

(Ley de Hock)

: Deformación unitaria

l : Deformación absoluta

l : Dimensión lineal inicial

: Esfuerzo uniaxial

E : Modulo de elasticidad (ó de Young)

En tracción / compresión uniaxial

P : Fuerza actuante

A : Área de la sección transversal inicial del elemento

El módulo de elasticidad E representa la medida de la rigidez del material. Los materiales con una energía alta de los enlaces interatómicos se caracterizan por tener mayor E (se funden a altas temperaturas)

Tabla : Dependencia entre E y la tfusión

M A T E R I A L Ex10–4 (Kg/cm2) tfusión (oC )Carborundo 362.1 2,800Periclasa 250.9 2,800Corundo 379.4 2,050Hierro 215.2 1,539Cobre 114.2 1,083Aluminio 71.4 660Plomo 15.3 327Poliestereno 3.1 300Caucho 0.07 300

2. Resistencia mecánica

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En la propiedad del material de oponerse a la destrucción bajo la acción de esfuerzos internos provocados por fuerzas exteriores u otros factores (contracción restringida, calentamiento no uniforme, etc.) Se evalúa por medio del límite de resistencia ó límite de rotura R determinada para el tipo dado de deformación.

Para los materiales frágiles (materiales de piedra naturales, concretos, morteros de construcción, ladrillo, etc.), la principal característica, de resistencia es el límite de resistencia a la compresión Rc.

Materiales fibrosos (de madera, etc.) Rt Rc. Acero Rt = Rc

Materiales frágiles(piedras, naturales, concreto, ladrillo) Rt Rc

Resistencia Dinámica ( ó al impacto ): Propiedad del material de oponerse a la destrucción en caso de cargas de impacto. Es importante para los materiales utilizadas al colocar cimientos de maquinas, pisos de los edificios industriales, pavimentos de carreteras etc.

Influencia de la estructura sobre la resistencia mecánica del material

La resistencia del material con una misma composición depende de su porosidad.

Destrucción mecánica En los sólidos se distingue:

a. Rotura frágil: va acompañada de una deformación plástica antecedente pequeña. Por eso la fragilidad se determina como la propiedad del material de romperse “inesperadamente” sin experimentar notable deformación.

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La fragilidad es una propiedad inherente no-solo a los materiales cristalinos, sino también de los vidriformes y hasta polímeros. Es el resultado de la formación y crecimiento rápido de una ó varias grietas al incrementar la carga creciente.

La grieta, al igual que un corte provoca la concentración de esfuerzos cerca de su vértice.

El coeficiente de concentración de esfuerzos e puede ser igual a 100 é incluso igual a 1000 si el radio del vertice de la grieta es conmensurable con el radio del àtomo, aunque la profundidad de la grieta sea tan sólo de 0.1 á 10 m. la grieta corta la cadena de los átomos y una parte considerable de la carga que antes portaban las cadena de átomos cortados recae ahora sobre el enlace átomico dispuesto cerca del extremo de la grieta. El enlace sobrecargado romperá antes que los demás y la situación empeorará ya que el eslabón siguiente resultará aun más recargado.

Los esfueros de compresión a diferencia de los de tracción, pueden trasmitirse através de las grietas sin provocar concentraciones en los enlaces; por eso los materiales fragiles siempre resultan mas resistentes a la compresión que a la tracción.

Frenado de la grieta : En los materiales modernos de composición se realiza el frenado de la grieta, utilizando superficies divisoras interiores tal como se ilustra:

( Si la resistencia de cohesión en la divisoria es 1/5 de la resistencia a la tracción del material, entonces la superficie no se destruirá, la grieta la

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atravezará y el comportamiento del material no cmbiará, es decir, éste permanecerá frágil. En caso que sea 1/5, entonces antes de que la grieta alcance la divisoria, ésta última se destruirá en una pequeña zona, y se formará una trampa capas de deterner la grieta.)

DUREZA

Propiedad del material de oponerse a que dentro de él penetre otro cuerpo mas duro.

En los minerales la dureza se aprecia mediante la escala de Mohs en el orden de la dureza creciente de 1 á 10: ( 1 : .talco ......... 10 : diamante )

En la madera, metales, concreto y algunos otros materiales de construcción, la dureza se determina comprimiendo contra ellos una bola de acero, el numero

de dureza se calcula:

De la dureza de los materiales depende el desgaste por fricción; cuanto más alta es la primera, tanto menor resulatará el segundo.

DESGASTE POR FRICCION ( Coeficiente de pulimento)

Se aprecia por la perdida de la masa inicial en la muestra del material, referida al àrea de la superfice de desgaste A :

m1 = masa de la muestra antes del desgaste por fricción

m2 = masa de la muestra despues del desgaste por fricción

La resistencia al material al desgaste por fricción se determina utilizando metodos estandarizados: el disco de desgaste y abrasivos ( arena de cuarzo ó esmeril )

Esta propiedad es importante para la explotación de carreteras, pisos, escalones de escaleras,etc,.

Desgaste por fricción y golpes : propiedad del material de soportar la acción simultania de la fricción y de impactos.

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b) Rotura plástica : Es antecedida por el cambio de la forma y una gran deformación. La mayoria de los materiales al bajar la temperatura se vuelven fragiles, en ellos tiene lugar la transición de la rotura plástica a la frágil. Así se comportan los materiales asfalticos, ciertos polimeros, metáles,etc.

DURABILIDAD Y FIABILIDAD

Durabilidad

Propiedad de una pieza de conservar la capacidad de trabajo hasta cierto estado límite con interrupciones necesarias para repararla. El estado límite queda definido por la destrucción de la pieza, exigencias de la seguridad ó razones económicas.

La durabilidad de una pieza de construcción se valora, generalmente, por el plazo de servicio sin perder las propiedades de servicio en las condiciones climáticas específicas y en el régimen de explotación, Ejm:

Para las estructuras de concreto armado en las normas están previstas tres grados de durabilidad:

I : Plazo de servicio no menor de 100 años

II : Plazo de servicio no menor de 50 años

III : Plazo de servicio no menor de 20 años

Fiabilidad

Propiedad general que caracteriza la manifestación de todas las demás propiedades de la pieza en el proceso de explotación.

La seguridad se compone de la durabilidad, infalibilidad, reparabilidad y conservabilidad. Estas propiedades están ligadas entre sí.

Infalibilidad : Propiedad de un artículo de mantener la capacidad de trabajo en determinados regímenes y condiciones de explotación durante cierto tiempo sin interrupciones forzosas para la reparación. Entre los índices de infalibilidad figura la probabilidad de trabajo libre de fallas.

Falla : Acontecimiento, en caso del cual un sistema, un elemento ó una pieza pierden total ó parcialmente la capacidad de trabajo. Esto se provoca por una imperfección tal, ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


con la cual aunque sea uno de los parámetros principales supera los limites de las normas establecidas.

Reparabilidad : Propiedad del artículo que caracteriza su actitud para el restablecimiento del buen estado y mantenimiento de la característica técnica dada como resultado de la prevención, revelación y eliminación de fallos. El índice que define la reparabilidad es el tiempo medio de reparación por una falla del tipo dado, así como la cantidad de trabajo y el costo requerido para eliminar las fallas.

Conservabilidad : Propiedad de la pieza de mantener los índices de explotación dados durante y después del tiempo de almacenado y transporte, prefijado en la documentación técnica. La conservabilidad se aprecia cuantitativamente por el tiempo de almacenado y transporte necesario para que aparezca un deterioro.

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Curso Materiales de Construccion CAPITULO I