Materiales de Construcción: Clasificación, Propiedades y Ensayos

Materiales de Construcción

Materia Prima y Materiales

Materia prima, materiales: sustancias no elaboradas obtenidas del subsuelo o producidas por la agricultura. Mediante tratamientos, estas se transforman en materiales aptos para su uso.

Clasificación de los Materiales

Según el origen:

Minerales: Constituyentes no vivos de la corteza terrestre, inorgánicos. Se dividen en:
- Metálicos: Metales y sus aleaciones. Presentan características como la conductividad eléctrica y térmica, brillo, opacidad, dureza, etc.
- No metálicos: Incluye dos grupos: uno con elementos que tienen poca o ninguna similitud con los metales, y otro más parecido a los metales, especialmente en sus propiedades eléctricas (semiconductores).
Vegetales: Presentes en la naturaleza: madera, celulosa, algodón, etc.
Animales: Presentes en los animales: cuero, lana, seda, etc.

Según la naturaleza:

Naturales: Existen en la naturaleza: hierro, madera, cobre, petróleo, agua, etc.
Artificiales: Producidos por el hombre a partir de materiales naturales: papel, bronce, latón, vidrio, cerámica, etc.

Según la estructura:

Metales: Muy vinculados a las construcciones mecánicas. Se dividen en:
- Ferrosos: Se basan en el hierro.
- No ferrosos: Comprenden otros elementos no metálicos y sus aleaciones.
Cerámicas y vidrios: Abarcan gran variedad de materiales, tradicionales (barro, arcilla) y modernos.
Polímeros (plásticos): Muy comunes. Se dividen en:
- Termoendurecibles o termoestables: Se llevan a la condición plástica por calentamiento y al enfriarse se endurecen permanentemente. Mantienen su dureza incluso si se vuelven a calentar.
- Termoplásticos: Se vuelven deformables cuando se calientan, no se solidifican irreversiblemente.
Semiconductores: Conductividad eléctrica intermedia. Ejemplos: silicio, germanio.
Compuestos: Combinación de componentes individuales (metales, cerámicas, polímeros, etc.): plástico reforzado con fibras de vidrio, madera, hormigón.

Propiedades de los Materiales

Físico-químicas:

Calor específico: Cantidad de calor necesaria para aumentar 1°C la temperatura de 1 kg de material.
Color: Propiedad que caracteriza a los materiales y permite su rápido conocimiento.
Conductancia eléctrica: Permisividad de un material al paso de corriente eléctrica. Su inversa es la resistencia.
Conductividad o conductibilidad eléctrica: Capacidad de los materiales para permitir el paso de la corriente eléctrica.
Conductividad o conductibilidad térmica: Capacidad de los materiales para transmitir el calor.
Dilatación: Índice del cambio de volumen de un cuerpo como consecuencia del aumento de la temperatura.
Peso específico: Peso de la unidad de volumen.
Porosidad: Porcentaje de poros en un material.
Resistencia a la corrosión y/o a la degradación: Resistencia a la acción corrosiva o degradante de los agentes atmosféricos y químicos.
Resistencia eléctrica: Oposición que ofrece un conductor al paso de la corriente eléctrica. Su inversa es la conductancia.
Resistividad eléctrica (resistencia específica): Resistencia eléctrica de la unidad de volumen de un material.
Temperatura de fusión: Temperatura a la cual se produce la transformación de estado de un material, pasando de sólido a líquido.

Mecánicas: Todo cuerpo sometido a fuerzas tiende a deformarse y reacciona interiormente con una resistencia que depende de la naturaleza del material, de la forma del cuerpo y de la fuerza aplicada. Cuando esa fuerza supera un valor, se produce la deformación, que puede ser elástica (el cuerpo vuelve a su forma primitiva al dejar de actuar la fuerza) o permanente o plástica (el cuerpo no recupera su forma). Normalmente y bajo una fuerza creciente, los materiales se deforman elásticamente, continúan con una deformación permanente y, por último, se rompen.

Dureza: Resistencia que los materiales oponen a la penetración de otro material más duro o a la rayadura.
Elasticidad: Capacidad de volver a adquirir la forma primitiva una vez que cesa la fuerza que tiende a deformarlo.
Fatiga: Proceso que produce la rotura de un material debido a la tensión.
Resistencia a la tracción: Capacidad de un material para resistir una fuerza que lo alarga.
Resistencia a la compresión: Capacidad de un material para resistir una fuerza que lo comprime.
Resistencia a la flexión: Capacidad de un material para resistir una fuerza que lo curva.
Resistencia a la torsión: Capacidad de un material para resistir un momento.
Resistencia al corte: Capacidad de un material para resistir una fuerza que lo corta.
Resiliencia: Resistencia de un material a impactos.

Tecnológicas:

Deformabilidad: Capacidad de responder ante las solicitaciones mecánicas.
Ductibilidad: Capacidad de deformarse plásticamente, se alarga por tracción.
Fusibilidad: Calidad de fusible (cambio de estado de sólido a líquido sin que varíen sus propiedades).
Maleabilidad: Calidad de maleable (de ser reducido a láminas finas).
Plasticidad: Propiedad opuesta a la elasticidad, deformación permanente.
Soldabilidad: Propiedad de algunos metales de permitir su soldadura.
Templabilidad: Propiedad de ciertos metales de aumentar su dureza mediante tratamientos térmicos.

Estructura

Conjunto de elementos capaces de aguantar pesos y cargas sin romperse ni deformarse; deben ser resistentes, rígidos y estables.

Naturales: Creadas por la naturaleza: caparazón de un animal, estructura de un árbol, etc.

Artificiales: Diseñadas y construidas por el hombre para satisfacer sus necesidades: puentes, edificios, etc.

Elementos resistentes: En cualquier estructura podemos encontrar elementos encargados de proporcionar la suficiente resistencia para soportar la carga a la que están sometidos:

Pilares: Disposición vertical que soporta el peso de los elementos que se apoyan sobre ellos. Cuando son cilindros se denominan columnas.
Vigas: Elemento constructivo lineal, soporta esfuerzos de flexión. Deben construirse de materiales elásticos que permitan satisfacer las exigencias constructivas.
Tensores: Cables que dan rigidez y mejoran la resistencia de la estructura.
Losas: Dos de sus dimensiones predominan sobre la tercera (espesor), formando un elemento plano. Soporta la flexión.

Esfuerzos de las estructuras: Los elementos de las estructuras deben aguantar fuerzas y cargas exteriores que actúan sobre ellas, lo que ocasiona la aparición de esfuerzos:

Tracción: Tiende a estirarlo.
Compresión: Las fuerzas aplicadas tienden a aplastarlo o comprimirlo.
Flexión: Tiende a doblarlo.
Torsión: Tiende a retorcerlo.
Cortadura: Tiende a cortarlo o desgarrarlo.

Características geométricas de la sección:

Tipos de sección:

De alma llena: Rieles o guías, doble T, U, C, ángulo.
Huecas: Caño estructural.

Superficie: Característica de una sección que indica su resistencia a la tracción o compresión.

Centro de gravedad o baricentro: Punto de aplicación de la fuerza peso.

Consecuencias del baricentro:

Equilibrio: Cuerpos apoyados: la fuerza peso debe pasar por la base de sustentación. Cuerpos suspendidos: la fuerza peso debe pasar por el punto de sustentación.
Flexiones no deseadas: Para evitar este esfuerzo de flexión no deseada, la carga debería viajar por el baricentro.

Cargas Exteriores – Vínculos – Reacciones

Sobre toda estructura actúan cargas:

Según su duración en el tiempo:

Estática o permanente: Peso propio de una estructura.
Dinámica: Viento.

Según su punto o forma de aplicación:

Cargas puntuales: El peso de un pescado en la punta de la caña.
Cargas distribuidas: Viento, presión hidrostática en el fondo de la pileta.

Vínculos y reacciones: Toda estructura tiene como objetivo soportar cargas y conducirlas de alguna manera al suelo, por eso toda estructura presenta apoyos o vínculos. Todo apoyo o vínculo limita los grados de libertad de la estructura. Grados de libertad en el plano (G) = 3. Posibilidades de movimiento en el espacio (G) = 6.

Vínculos (en el plano): Restricciones hechas por el hombre:

Empotramiento: r = 3
Apoyo fijo: r = 2
Apoyo móvil: r = 1

Clasificación de estructuras según su vinculación:

Hiperestática: g ≤ r
Isóstática: g = r
Hipostática o mecanismo: g ≥ r

Ensayos de los Materiales

Metalografía: Estudia la estructura de los metales y sus aleaciones. Tiene un enorme campo de aplicación en las construcciones mecánicas y metálicas.

Examen micrográfico: Se realizan sobre muestras o probetas de materiales que han de ser sometidos a estudio.
Flexión: Se obtiene cuando se aplican sobre un cuerpo pares de fuerzas perpendiculares a su eje longitudinal, de modo que provoquen el giro de las secciones transversales con respecto a las inmediatas.
Corte: Tiene poca aplicación práctica, no puede ser obtenido prácticamente como un esfuerzo puro o simple porque va acompañado de la flexión.
Choque: Se aplica a elementos sometidos a efectos exteriores instantáneos o variaciones bruscas de las cargas.
Dureza: Este método obtiene características mecánicas importantes de forma rápida y no destructiva, y permite realizarlo en piezas ya elaboradas; ensayo de penetración: la define como la resistencia a la penetración o resistencia a la deformación plástica. → Dureza Brinell.