La ingeniería estructural depende del conocimiento de los materiales y sus propiedades, para poder comprender cómo los diferentes materiales resisten y soportan cargas.
Los materiales estructurales comunes son:
El hierro forjado es la forma más simple de hierro y es casi hierro puro (normalmente menos de un 0,15 % de carbono). Suele contener algo de escoria . Sus usos están casi totalmente obsoletos y ya no se produce comercialmente.
El hierro forjado resiste muy mal al fuego. Es dúctil, maleable y resistente. No se corroe tan fácilmente como el acero.
El hierro fundido es una forma frágil de hierro que es más débil en tensión que en compresión. Tiene un punto de fusión relativamente bajo, buena fluidez, capacidad de colada, excelente maquinabilidad y resistencia al desgaste. Aunque casi en su totalidad ha sido reemplazado por el acero en las estructuras de construcción, el hierro fundido se ha convertido en un material de ingeniería con una amplia gama de aplicaciones, incluidas tuberías, máquinas y piezas de automóviles.
El hierro fundido conserva una gran resistencia en caso de incendio, a pesar de su bajo punto de fusión. Suele estar compuesto por un 95 % de hierro, entre un 2,1 % y un 4 % de carbono y entre un 1 % y un 3 % de silicio. No se corroe tan fácilmente como el acero.
El acero es una aleación de hierro con un nivel controlado de carbono (entre 0,0 y 1,7% de carbono).
El acero se utiliza ampliamente en todo tipo de estructuras, debido a su coste relativamente bajo, su alta relación resistencia-peso y su velocidad de construcción.
El acero es un material dúctil, que se comporta de manera elástica hasta alcanzar la fluencia (punto 2 en la curva de tensión-deformación), momento en el que se vuelve plástico y falla de manera dúctil (grandes deformaciones o extensiones antes de la fractura en el punto 3 de la curva). El acero es igualmente resistente a la tracción y a la compresión.
El acero es frágil frente a los incendios y debe protegerse en la mayoría de los edificios. A pesar de su alta relación resistencia-peso, los edificios de acero tienen tanta masa térmica como los edificios de hormigón similares.
El módulo elástico del acero es de aproximadamente 205 GPa .
El acero es muy propenso a la corrosión ( óxido ).
El acero inoxidable es una aleación de hierro y carbono con un contenido mínimo de cromo del 10,5%. Existen distintos tipos de acero inoxidable, que contienen distintas proporciones de hierro, carbono, molibdeno y níquel . Tiene propiedades estructurales similares al acero, aunque su resistencia varía significativamente.
Se utiliza raramente para estructura primaria, sino más bien para acabados arquitectónicos y revestimientos de edificios.
Es altamente resistente a la corrosión y a las manchas.
El hormigón se utiliza ampliamente en la construcción y en las estructuras de ingeniería civil debido a su bajo coste, flexibilidad, durabilidad y alta resistencia. También tiene una alta resistencia al fuego.
El hormigón es un material no lineal, no elástico y frágil. Es fuerte en compresión y muy débil en tensión. Se comporta de forma no lineal en todo momento. Debido a que tiene una resistencia a la tensión esencialmente nula, casi siempre se utiliza como hormigón armado , un material compuesto. Es una mezcla de arena , áridos, cemento y agua. Se coloca en un molde o encofrado en estado líquido y luego fragua (se descompone) debido a una reacción química entre el agua y el cemento. El endurecimiento del hormigón se denomina hidratación. La reacción es exotérmica (emite calor).
El hormigón aumenta su resistencia continuamente desde el día en que se vierte. Suponiendo que no se vierte bajo el agua o en una humedad relativa constante del 100 %, se encoge con el tiempo a medida que se seca y se deforma con el tiempo debido a un fenómeno llamado fluencia . Su resistencia depende en gran medida de cómo se mezcla, se vierte, se vierte, se compacta, se cura (se mantiene húmedo mientras fragua) y de si se utilizaron o no aditivos en la mezcla. Se puede verter en cualquier forma para la que se pueda hacer un molde. Su color, calidad y acabado dependen de la complejidad de la estructura, el material utilizado para el molde y la habilidad del trabajador.
El módulo elástico del hormigón puede variar ampliamente y depende de la mezcla, la edad y la calidad del hormigón, así como del tipo y la duración de la carga que se le aplica. Por lo general, se considera que es de aproximadamente 25 GPa para cargas a largo plazo una vez que ha alcanzado su resistencia máxima (generalmente se considera que es a los 28 días después del vertido). Se considera que es de aproximadamente 38 GPa para cargas a muy corto plazo, como las pisadas.
El hormigón tiene propiedades muy favorables frente al fuego: no se ve afectado negativamente por el fuego hasta que alcanza temperaturas muy altas. Además, tiene una masa muy elevada, por lo que es bueno para proporcionar aislamiento acústico y retención de calor (lo que conduce a menores necesidades energéticas para la calefacción de los edificios de hormigón). Esto se compensa con el hecho de que la producción y el transporte del hormigón requieren una gran cantidad de energía. Para estudiar el comportamiento del material se desarrollaron muchos modelos numéricos, por ejemplo, el modelo de microplano para las leyes constitutivas de los materiales .
El hormigón armado es un material al que se le han incorporado barras de refuerzo de acero, placas o fibras para reforzar un material que, de otro modo, sería frágil. En los países industrializados, casi todo el hormigón que se utiliza en la construcción es hormigón armado. Debido a su débil capacidad de tracción, el hormigón fallará de forma repentina y frágil bajo la acción de fuerzas de flexión o tracción, a menos que esté adecuadamente reforzado con acero.
El hormigón pretensado es un método para superar la debilidad natural del hormigón a la tensión . [1] [2] Se puede utilizar para producir vigas , pisos o puentes con una luz mayor que la que es práctica con el hormigón armado ordinario . Los tendones de pretensado (generalmente de cables o varillas de acero de alta resistencia ) se utilizan para proporcionar una carga de sujeción que produce una tensión de compresión que compensa la tensión de tracción que el elemento de compresión de hormigón experimentaría de otro modo debido a una carga de flexión.
El aluminio es un metal blando, ligero y maleable. El límite elástico del aluminio puro es de 7 a 11 MPa, mientras que las aleaciones de aluminio tienen límites elásticos que van de 200 MPa a 600 MPa. El aluminio tiene aproximadamente un tercio de la densidad y la rigidez del acero. Es dúctil y se mecaniza, funde y extruye fácilmente.
La resistencia a la corrosión es excelente debido a una fina capa superficial de óxido de aluminio que se forma cuando el metal se expone al aire, lo que evita eficazmente una mayor oxidación. Las aleaciones de aluminio más resistentes son menos resistentes a la corrosión debido a las reacciones galvánicas con el cobre aleado.
El aluminio se utiliza en algunas estructuras de edificios (principalmente en fachadas) y de forma muy extendida en la ingeniería aeronáutica debido a su buena relación resistencia-peso. Es un material relativamente caro.
En los aviones se está sustituyendo paulatinamente por materiales compuestos de carbono.
Los materiales compuestos se utilizan cada vez más en estructuras de vehículos y aeronaves y, en cierta medida, en otras estructuras. Se utilizan cada vez más en puentes, especialmente para la conservación de estructuras antiguas, como el puente de hierro fundido de Coalport construido en 1818. Los materiales compuestos suelen ser anisotrópicos (tienen diferentes propiedades materiales en diferentes direcciones), ya que pueden ser materiales laminares. La mayoría de las veces se comportan de forma no lineal y fallan de forma frágil cuando se sobrecargan.
Ofrecen una relación resistencia-peso muy buena, pero también son muy caros. Los procesos de fabricación, que suelen ser de extrusión, no ofrecen actualmente la flexibilidad económica que ofrecen el hormigón o el acero. Los más utilizados en aplicaciones estructurales son los plásticos reforzados con vidrio .
La mampostería se ha utilizado en estructuras durante miles de años y puede adoptar la forma de piedra, ladrillo o bloques. La mampostería es muy resistente a la compresión, pero no puede soportar la tensión (porque el mortero entre los ladrillos o bloques no puede soportar la tensión). Como no puede soportar la tensión estructural, tampoco puede soportar la flexión, por lo que los muros de mampostería se vuelven inestables a alturas relativamente pequeñas. Las estructuras altas de mampostería requieren estabilización contra las cargas laterales de los contrafuertes (como los arbotantes que se ven en muchas iglesias medievales europeas) o de los postes de viento .
Históricamente, la mampostería se construía sin mortero o con mortero de cal. En la actualidad, se utilizan morteros a base de cemento. El mortero une los bloques y también suaviza la interfaz entre ellos, evitando cargas puntuales localizadas que podrían haber provocado grietas.
Desde que se ha generalizado el uso del hormigón, la piedra rara vez se utiliza como material estructural principal, y a menudo solo aparece como revestimiento, debido a su coste y a la gran habilidad que se requiere para producirla. El ladrillo y los bloques de hormigón han ocupado su lugar.
La mampostería, al igual que el hormigón, tiene buenas propiedades de aislamiento acústico y una elevada masa térmica, pero su producción requiere, en general, menos energía y su transporte requiere la misma energía que el hormigón.
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La madera es el material estructural más antiguo y, aunque ha sido sustituida principalmente por el acero, la mampostería y el hormigón, todavía se utiliza en un número significativo de edificios. Las propiedades de la madera no son lineales y son muy variables, dependiendo de la calidad, el tratamiento de la madera y el tipo de madera suministrada. El diseño de estructuras de madera se basa en gran medida en evidencia empírica.
La madera es resistente a la tensión y la compresión, pero puede ser débil a la flexión debido a su estructura fibrosa. La madera resiste relativamente bien el fuego, ya que se carboniza, lo que proporciona cierta protección a la madera del centro del elemento y permite que la estructura conserve cierta resistencia durante un período de tiempo razonable.
