Máster Universitario en Ing. Ambiental - ugr.esjjgr/materiales_y_resistencia_de_materiales.pdf · 2.1 Metales y aleaciones 2.2 Materiales aglomerantes: Yesos, cales y cementos 2.3

Máster Universitario en Ing. Ambiental

MATERIALES y RESISTENCIA DE MATERIALES

Prof. Juan José Granadosc.e.: [email protected]

Máster Univ. en Ing. Ambiental Materiales y Resistencia de Materiales [email protected]

Materiales y Resistencia de Materiales

ÍNDICE

1 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN2 TIPOS DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN3 BIBLIOGRAFÍA BÁSICA



ÍNDICE




1 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

1.1 Relación entre estructura y propiedades1.2 Características estructurales1.3 Propiedades hidrofísicas1.4 Propiedades térmicas y eléctricas1.5 Propiedades mecánicas y Resistencia de Materiales

1.5.1 Introducción a la Resistencia de Materiales1.5.2 Deformación1.5.3 Tensión1.5.4 Comportamiento1.5.5 Rotura1.5.6 Dureza, coeficiente de pulimento y desgaste

1.6 Durabilidad



ÍNDICE




2 TIPOS DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

2.1 Metales y aleaciones2.2 Materiales aglomerantes: Yesos, cales y cementos2.3 Hormigón2.4 Materiales de piedra natural2.5 Materiales pétreos artificiales: cerámica y vidrio2.6 Materiales bituminosos2.7 Maderas2.8 Barnices y Pinturas2.9 Nuevos Materiales2.10 Materiales termoaislantes2.11 Materiales acústicos2.12 Materiales de bajo coste



ÍNDICE







1.6 Durabilidad


1 Propiedades de los materiales de construcción

1.1 Relación entre estructura y propiedades

El conocimiento de las propiedades nos ayuda a escoger el material más adecuado desde un punto de vista técnico y económico

El estudio de la estructura del material nos permite deducir sus propiedades

La estructura del material se estudia a tres niveles:1. Macroestructura (conglomerados artificiales,

celular, poros finos, fibrosa, estratificada, grano mullido)

2. Microestructura (cristalino o amorfo)3. Estructura interna a nivel molecular-iónico






1.6 Durabilidad



1.2 Características estructurales

Parámetros del estadoDensidad: Masa de la unidad de volumen de un material absolutamente compacto

Densidad relativa: razón entre la densidad del material y la densidad del agua (adimensional)

ρ =m

Va

Densidad aparente: masa de la unidad de volumen de un material en estado natural (con poros)

ρ =m

Vn



1.2 Características estructurales

La estructura de un material poroso se caracteriza por:

1. Porosidad: abierta y cerrada2. Distribución de sus poros3. Radio medio de los poros4. Superficie interna específica de los poros






1.6 Durabilidad



1.3 Propiedades hidrofísicas

Higroscopicidad: Propiedad de un material poroso capilar de absorber el vapor de agua a partir del aire. A mayor superficie interna de poros mayor capacidad de absorción (madera, ladrillo, hormigón, etc.)

La aspiración capilar del agua por el material poroso sucede cuando parte de la muestra está sumergida

La higroscopía de los materiales porosos se determina manteniendo las muestras en agua, caracterizando la porosidad abierta

La permeabilidad (k) es la propiedad de un material de dejar pasar el agua bajo una determinada presión ([L]/[T], m/h).

Contracción e hinchamiento






1.6 Durabilidad



1.4 Propiedades térmicas y eléctricas

Conductividad térmica: propiedad de un material de transmitir el calor entre dos de sus superficies. Propiedad fundamental a la hora del aislamiento térmico.

La conductividad térmica del aire:λ=0.023 W/(mºC)

es inferior a la de la sustancia sólida, por lo que para aislar interesa material con muchos poros cerrados (para reducir el calor transmitido por convección)

Resistencia al fuegoCoeficiente de dilatación térmica lineal

Para el acero y hormigón α ≅ 10-5 ºC-1



1.4 Propiedades térmicas y eléctricas

Resistencia eléctrica (R) de una elemento es la oposición que encuentra la corriente eléctrica para recorrerlo. R=V/I Se mide en ohmios (Ω).

Conductancia (G): facilidad de un elemento para transmitir la corriente eléctrica. G=1/R (Se mide en siemens S=1/Ω)

Resistividad eléctrica (ρ): Grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos por un material. ρ=R·A/L (se mide en Ωm)

Conductividad eléctrica (σ): la propiedad natural característica de cada material que representa la facilidad con la que los electrones pueden pasar por él.

σ=1/ρ (S/m, siemens por metro)






1.6 Durabilidad



1.5 Prop. mecánicas y Resistencia de Materiales




1.5 Prop. mecánicas y Resistencia de Materiales



1.5 Propiedades mecánicas y Resistencia de Materiales

1.5.1 Introducción a la Resistencia de Materiales

Dimensiones de las Magnitudes FísicasSe entiende por magnitud física toda aquella propiedad de los sistemas físicos susceptible de ser medida o estimada por un observador o aparato de medida y, por tanto, expresada mediante un número (o conjunto de ellos) y una unidad de medida, y con la cual se pueden establecer relaciones cuantitativas

En el Sistema Internacional (S.I.), las dimensiones básicas para mecánica son:[L] = Longitud[T] = Tiempo[M] = Masa




Unidades básicas o fundamentales del SILas unidades se usan para dar un valor concreto a una

determinada dimensión.Longitud: metro (m). El metro es la distancia recorrida por la luz en el vacío en 1/299 792 458 segundos. Este patrón fue establecido en año de 1983. Tiempo: segundo (s). El segundo es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del cesio-133. Este patrón fue establecido en el año de 1967. Masa: kilogramo (kg). El kilogramo es la masa de un cilindro de aleación de Platino-Iridio depositado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas. Este patrón fue establecido en el año de 1887.

…




Unidades básicas o fundamentales del SILas unidades se usan para dar un valor concreto a una

determinada dimensión.…

Intensidad de corriente eléctrica: amperio (A)Temperatura: kelvin (K)Cantidad de sustancia: mol (mol)Intensidad luminosa: candela (cd)




Unidades derivadas del SI (con nombre propio)

Magnitudfísica

Nombrede la

Unidad

Símbolode la

unidad

Expresada enUnidadesderivadas

Expresada enUnidadesbásicas

Frecuencia hercio Hz s-1

Fuerza newton N m·kg·s-2

Presión pascal Pa N·m-2 m-1·kg·s-2

Energía, trabajo,

calorjulio J N·m m2·kg·s-2

Potencia vatio W J·s-1 m2·kg·s-3




Unidades derivadas del SI (sin nombre propio)

Magnitud física

Expresada en unidades derivadas

Expresada en unidades básicas

Área m2

Volumen m3

Velocidad, rapidez m·s-1

Velocidad angular rad·s-1 s-1

Aceleración m·s-2

Momento de fuerza N·m m2·kg·s-2

Número de ondas m-1

Densidad kg·m-3




Otras unidades usadas en ingenieríaMasa

Tonelada métrica (t): 1 t = 103 kgTiempo

Minuto (min): 1 min = 60 sHora (h): 1h = 60 min = 3600 s

ÁreaÁrea (a): 1 a = 100 m2 = 1 dm2

Hectárea (ha): 1 ha = 104 m2 = 1 hm2

VolumenLitro (l): 1 l = 1 dm3 = 103 cm3

1 cm3 = 1 ml1 m3 = 103 l

1 hm3 = 106 m3 = 109 l (volumen de embalses)




Importancia de:

Conversión de unidades

Cifras significativas

Orden de magnitud




Mecánica: Ciencia que estudia las condiciones de reposo o movimiento de los cuerpos bajo la acción de cargas (fuerzas, temperatura, etc.). Se trata de una ciencia aplicada (a la ingeniería).

Tipos de cuerpos:Sólido Rígido: Cuerpo en el que todas sus partículas guardan siempre la misma distancia relativa

Sólido Deformable: En este caso las partículas que forman el cuerpo no guardan siempre la misma distancia relativa.

FluidosLa mecánica se divide por tanto en:

Mecánica del Sólido Rígido Mecánica del Sólido Deformable Mecánica de fluidos




Mecánica Newtoniana. Isaac Newton (1642-1727)

Mecánica relativista. Einstein formuló la Teoría de la Relatividad en 1905, generalizando la anterior.

Aunque se reconocen las limitaciones de la Mecánica Newtoniana, ésta sigue siendo la base de las actuales ciencias de la ingeniería.

En la mecánica Newtoniana el espacio, tiempo y masa son conceptos absolutos, independientes entre si. Esto no es así en la mecánica relativista, donde el tiempo de un evento depende de su posción ylamasa de un cuerpo varía con su velocidad.




Mecánica del Sólido Rígido

El estudio de la mecánica descansa en cuatro principios:

1. Ley del paralelogramo para la adición de fuerzas.2. El principio de la transmisibilidad. Establece que las

condiciones de equilibrio o movimiento de un sólido rígido permanecen inalteradas si una fuerza se considera deslizante sobre su línea de acción.

3. Leyes de Newton4. Ley de gravitación de Newton (F=G·M·m/r2)




Mecánica del Sólido Deformable

Es una extensión del la mecánica del sólido rígido, pues se rige por sus mismas leyes y principios pero añadiendo la posibilidad de la deformación, lo que implica añadir:

Ecuaciones de compatibilidad geométrica (ponen ciertas restricciones a las deformaciones, por ejemplo no es posible la interpenetrabilidad)

Ecuaciones constitutivas o de comportamiento (p. ej.: elástico, plástico, viscoso, etc.)




Mecánica del Sólido Deformable

La mecánica del sólido deformable se puede estudiar a dos niveles:Mecánica de Medios Continuos o Mecánica del Continuo. Es un estudio generalizado, para cualquier geometría del sólido y cualquier tipo de cargas. Tiene una gran complejidad matemática (imprescindible el uso del ordenador).Resistencia de Materiales. Es un estudio simplificado para el caso de sólidos con formas de barra o placa (habituales en ingeniería). Se caracteriza por su sencillez matemática (en comparación con el anterior).



1.5 Prop. mecánicas y Resistencia de Matereriales




1.5.2 Deformación

Hipótesis de pequeñas deformaciones (linealidad)Deformación longitudinal ( ε): Incremento de

longitud dividido por la longitud inicial.

∆LL

ε =∆L

L



1.5.2 Deformación

Deformación longitudinal (ε)

Es adimensional

Esta fórmula es aplicable a cualquier longitud inicial L

Puesto que esta deformación puede no ser constante se define la deformación a nivel puntual como:

ε = limL→0

∆L

L



1.5.2 Deformación

Deformación angular (γ): Medida de la distorsión angular.

γ = θ =∆x

h

Es adimensional



1.5.2 Deformación

Deformación angular (γ): Medida de la distorsión angular.

α

β

γ = α+ β



1.5.2 Deformación

El movimiento de un rectángulo elemental (volumen de control diferencial) se puede dividir en cuatro efectos separados:

Movimiento de sólido rígidoTraslaciónRotación

Movimiento de deformaciónDeformación longitudinalDeforamción angular



1.5.2 Deformación

Traslación (movimiento de sólido rígido)



1.5.2 Deformación

Rotación (movimiento de sólido rígido)



1.5.2 Deformación

Deformación longitudinal (horizontal y vertical)



1.5.2 Deformación

Deformación angular







1.5.3 Tensión

Tensión (σ): Es la fuerza partida por la superficie en la que se aplica (por tanto es una magnitud vectorial)

ss

Fσn

τ

σ

σ =F

s



1.5.3 Tensión

Puesto que la tensión puede no ser constante se define la tensión a nivel puntual como:

s →0s →0

F

σn

τ

σ

σ = lims→0

F

s



1.5.3 Tensión

Sus dimensiones son [F]/[m]2

Unidades:

S.I.:Pascal

(Pa)

Bar(bar)

AtmósferaTécnica

(at)Atmósfera

(atm)Torr

(mmHg)

1 Pa ≡ 1 N/m² 10−5 10.197×10−6 9.8692×10−6 7.5006×10−3

1 at 98 066.5 0.980665 ≡ 1 kgf/cm² 0.96784 735.56

En Ingeniería Civil se toma g=10m/s2 por lo que:100 kp = 1 kN10 kp/cm2 = 1 MPa



1.5.3 Tensión

Presión HidrostáticaVector perpendicular a la superficie y dirigido hacia éstaMódulo: σ = ρ·g·h = γ·h

h

σ



1.5.3 Tensión

Tensión en un volumende control diferencial







1.5.4 Comportamiento

Ensayo tensión deformación del acero

FF

1: Tensión última2: Tensión de plastificación o

límite plástico3: Tensión de rotura4: Zona de endurecimiento 5: Zona de estricción

σ

ε




Ensayo Tensión Deformación del acero




Tipos de comportamiento:Comportamiento elástico: Las deformaciones se recuperan al desaparecer la tensión que las provoca

Elástico lineal (isótropo y homogéneo, es caso más habitual): Ley de Hooke

Comportamiento plástico: Las deformaciones no se recuperan.

Comportamiento viscoso: Modela la velocidad de deformación.

Mezcla de los anteriores




Ley de Hooke

σnx σnx

Deformación longitudinal horizontal: εnx = σnx/E

Deformación longitudinal vertical: εnx = - ν εnx

Siendo:

• E el Módulo de Young o Módulo de deformación longitudinal

• ν el Coeficiente de Poisson

E y ν son las constantes elásticas que caracterízan al material




Ley de HookeA partir de E y ν se pueden deducir otras constantes

elásticas que en determinadas ocasiones son útiles, como es el caso del Módulo de Deformación Transversal (G)

G =E

2(1 + ν)

El módulo de deformación transversal relaciona la deformación angular con la tensión tangencial

γ =τ

G




Ley de HookePor ejemplo en este caso:

γ = θ =∆x

h=F/S

G



1.5.4 ComportamientoValores de las constantes elásticas

Metal Módulo de Young, E·(104 MPa)

Cobre estirado en frío 12.7

Cobre, fundición 8.2

Cobre laminado 10.8

Aluminio 6.3-7.0

Acero al carbono 19.5-20.5

Acero aleado 20.6

Acero, fundición 17.0

Cinc laminado 8.2

Latón estirado en frío 8.9-9.7

Latón naval laminado 9.8

Bronce de aluminio 10.3

Titanio 11.6

Níquel 20.4

Plata 8.27




• Termodinámicamente puede probarse que todo material tiene coeficientes de Poissonen el intervalo [-1, 0.5)

• En los materiales de construcción suele oscilar alrededor de 0.25

• Hormigón: ν = 0.20• Acero : ν = 0.30

Valores de las constantes elásticasMetal Módulo de

def. transv. G(GPa)

Cobre estirado en frío 48.0

Aluminio 25.0-26.0

Acero al carbono 8

Acero aleado 80.0

Cinc laminado 31.0

Latón estirado en frío 34.0-36.0

Latón naval laminado 36.0

Bronce de aluminio 41.0

Titanio 44.0

Níquel 79.0

Plata 30.3







1.5.5 Rotura

Resistencia mecánica: propiedad de un material de oponerse a la rotura bajo la acción de fuerzas internas provocadas por agentes exteriores (fuerzas, variaciones térmicas, aceleraciones, etc.)Rotura frágil: Rotura con poca deformación previa.Rotura dúctil: Rotura con mucha deformación previa. Asociado a procesos de plastificación.Fractura: Las tensiones en el vértice de una grieta son muy elevadas, aunque las fuerzas exteriores sean muy pequeñas. Esto hace que las grietas puedan progresar rompiendo el material. Los materiales modernos con fibras en varias direcciones frenan el avance de la grieta. Rotura por Fatiga: proceso de rotura al someter el material a ciclos de carga repetitivos



1.5.5 Rotura

Tensión última

Hormigón (rotura por compresión uniaxial): Entre 20 y 130 MPa (25-35 MPa son valores habituales en hormigón armado)

Acero (rotura por tracción uniaxial): Entre 250 y 1860 MPa (400-500 MPa son valores habituales en armaduras pasivas y 1570-1860 Mpa en armaduras activas)







1.5.6 Dureza, coeficiente de pulimento y desgaste

Dureza: propiedad por la que un material impide que otro penetre en él.

La dureza de los minerales se clasifica mediante la escala de MohsDureza Mineral Composición química1 Talco, (se puede rayar fácilmente con la uña) Mg3Si4O10(OH)22 Yeso, (se puede rayar con la uña con más dificultad) CaSO4·2H2O3 Calcita, (se puede rayar con una moneda de cobre) CaCO34 Fluorita, (se puede rayar con un cuchillo) CaF25 Apatito, (se puede rayar difícilmente con un cuchillo) Ca5(PO4)3(OH-,Cl-,F-)6 Ortoclasa, (se puede rayar con una lija de acero) KAlSi3O87 Cuarzo, (raya el vidrio) SiO28 Topacio, Al2SiO4(OH-,F-)29 Corindón, (zafiros y rubíes son formas de corindón) Al2O310 Diamante, (el mineral natural más duro) C

No confundir con tenacidad (resistencia que opone un mineral u otro material a ser roto, molido, doblado o desgarrado, siendo una medida de su cohesión )

Desgaste por fricción o PulimentoDesgaste por fricción y golpes (tambor giratorio)






1.6 Durabilidad



1.6 Durabilidad

La durabilidad es la 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 seguridad o razones económicas.

Todas las construcciones tienen una vida útil



ÍNDICE




2 TIPOS DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

2.1 Metales y aleaciones2.2 Materiales aglomerantes: Yesos, cales y cementos2.3 Hormigón2.4 Materiales de piedra natural2.5 Materiales pétreos artificiales: cerámica y vidrio2.6 Materiales bituminosos2.7 Maderas2.8 Barnices y Pinturas2.9 Nuevos Materiales2.10 Materiales termoaislantes2.11 Materiales acústicos2.12 Materiales de bajo coste


2 Tipos de materiales de construcción

2.1 Metales y aleaciones

La metalografía es la ciencia que estudia las características estructurales o constitutivas de un metal o aleación relacionándolas con las propiedades físicas y mecánicas.

Metales férricosLos aceros son aleaciones de hierro-carbono, con

porcentajes de carbono variables entre 0,006 y 1.5%. Los acero estructurales contienen alrededor del 0.25%). Se distinguen de las fundiciones, también aleaciones de hierro y carbono, en que éstas tienen una proporción de carbono mayor de 1.7%.

No férricosAleaciones de aluminio y cobre.

Los metales son vulnerables a la corrosión



2.1 Metales y aleaciones

Bobina de cable de acero trenzado

para postesar

Diagrama de fase hierro-carbono



2.2 Materiales aglomerantes: yesos, cales y cementos

YesoAl yeso producido industrialmente, se le conoce como el sulfato cálcico hemihidratado (CaSO4x1/2H2O), también vulgarmente denominado "yeso cocido“

CalÓxido de calcio, de fórmula CaO. También se denomina cal viva

CementoPuzolana: El código ASTM (1992), en la definición 618-78, define las puzolanas como "materiales silíceos o alumino-silíceos quienes por sí solos poseen poco o ningún valor cementante, pero cuando se han dividido finamente y están en presencia de agua reaccionan químicamente con el hidróxido de calcio a temperatura ambiente para formar compuestos con propiedades cementantes" Cemento Portland. Es el cemento puzolánico más usado



2.3 Hormigón

Es una mezcla de:

Áridos (de varios tamaños)CementoAguaAditivos

Usos:Hormigón en masaHormigón armado

Sin pretensarPretensado

Se rige por la normaespañola EHE

Probetas para control de calidad



2.4 Materiales de piedra natural

Rocas Ígneas: rocas formadas por la solidificación del magma o de la lava. Ejemplos: granito, diorita, riolita, obsidiana, gabro , basalto y dolerita.

Rocas Metamórficas: rocas formadas por alteraciones de rocas ya consolidadas de la corteza de la Tierra. Ejemplos: Pizarra, esquisto, gneis, mármol, cuarcita, serpentinita y cancagua.

Rocas Sedimentarias: rocas formadas como resultado de la erosión o de un precipitado de químicos. Ejemplos: arcilla, marga, caliza, creta, arena, areniscas, carbón mineral, yeso y sal gema.



2.5 Materiales pétreos artificiales: cerámica y vidrio

CerámicaLadrillo es el material de construcción cerámico más importante.

Vidrio



2.6 Materiales bituminosos

Se trata de aglomerantes orgánicos

Betunes nativosLas rocas asfálticasLos asfaltos de petróleoEl alquitrán de petróleo

También hay aglomerantes orgánicos que no pertenecen al grupo de los bituminosos, son los materiales de alquitrán de madera y hulla



2.7 Maderas

La madera ha sido y es usada tanto como material de construcción como material para mobiliario y decoración.

Aunque todos los procesos de obtención de materiales de construcción afectan al medio ambiente, claramente es la obtención de madera mediante la tala de árboles el que más llega a la sociedad.



2.8 Barnices y Pinturas

Los barnices y pinturas son compuestos viscofluidos que se aplican sobre la superficie de una estructura en forma de una capa fina, la cual al cabo de unas horas se endurece formando una película bien adherida a la base



2.9 Nuevos Materiales

2.9.1 PolímerosArtículos para sellarAdhesivosElastómerosGeosintéticos (geotextil, geomembranas, etc.)

2.9.2 CompositesComposites de polímerosHormigones y morteros armados con fibras



2.10 Materiales termoaislantes

Este tipo de materiales se ha clasificado por su uso y no por su naturaleza dada la importancia de estos factores para el cuidado del medio ambiente.

2.11 Materiales acústicos



2.12 Materiales de bajo coste

Incluimos dentro de este grupo el uso de materiales reciclados o deshechos, con gran beneficio para el medio ambiente.

RecicladoPor ejemplo: Uso de polvo de caucho procedente de neumáticos usados para mezclar con el betún e incorporarlo a la capa de rodadura de carreteras (actualmente en investigación)

Uso de deshechosPor ejemplo: uso en el hormigón sustancias con propiedades puzolánicas:

Cenizas volantes (producidas en altos hornos) yCáscara de arroz (gran producción en Asia)



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3 BIBLIOGRAFÍA BÁSICA

1. Construction Materials. Their Nature andBehaviour, J. M. Illston y P. L. J. Domone(Spon Press, 2001)

2. Materiales de Construcción, G. I. Gorchakov(Ed. Mir, traducción al español 1984)

3. Los Nuevos Materiales en la Construcción, A. Miravete (Zaragoza, 1994)

4. Mecánica Vectorial para Ingenieros: Estática, Beer y Johnston (McGraw-Hill)

5. Timoshenko. Resistencia de Materiales, James M. Gere (Thomson)

6. Mecánica de Sólidos, Egor P. Popov(Pearson Educación)

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