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Ingeniería Civil CAPITULO I “Nunca consideres el estudio como una obligación, sino como una oportunidad, para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber”  Albert Einstein

I.

INTRODUCCIÓN ALA INGENIERÍA DE LOS MATERIALES 1. PRE-REQUISITOS Para la compresión adecuada de este tema se necesita tener conocimientos básicos en geología (composición del suelo y roca), química (estructura atómica y molecular) y estadística (cálculo de media, desviación, regresión lineal)

2. OBJETIVOS Establecer una introducción al curso de los materiales.

3. INTRODUCCIÓN Una función básica de la Ingeniería civil y de la construcción es la de satisfacer y mantener las necesidades de infraestructura de la sociedad. Estas infraestructuras incluyen los edificios, los sistemas de tratamiento y distribución de aguas, diques, puentes, tratamiento de aguas residuales, pavimentos, entre otros. Algunos ingenieros se dedican a la planificación de construcciones, otros en cambio se dedican al diseño, construcción y mantenimiento de estos tipos de materiales. El denominador común entre esas responsabilidades es la necesidad de c o m p r e n d e r e l c o m p o r t a m i e n t o   de los materiales. Aunque no todos los ingenieros civiles y las prestaciones  de Curso: Materiales de Construcción C onstrucción

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Ing. Gabriel Cachi Cerna

Ingeniería Civil y de la construcción necesitan ser especialistas en materiales, una compresión básica del proceso de selección y del comportamiento de los mismos es un requisito fundamental para todos esos ingenieros involucrados en el diseño, construcción y mantenimiento. (Mam (Mam lou k-Zaiews k-Zaiews ki, 2009) 2009)

El tema de los materiales avanzado mucho en tecnología, es por esto que el ingeniero encargado de cualquier tipo de proyecto debe de conocer un material que satisfaga las necesidades de este, además de tener un coste y los requisitos indispensables para que la obra avance sin ningún tipo de contratiempo.

El curso se llevará teniendo en cuenta 3 partes, la primera es una introducción a los materiales, viéndose propiedades mecánicas, propiedades no

mecánicas,

estructura

atómica

básica

para

comprender

el

comportamiento básico de los mismos y para relacionar su estructura molecular con su respuesta en las aplicaciones ingenieriles.

La segunda parte tratara sobre las características de los materiales más importantes usados en la ingeniería civil y de la construcción como el acero, asfalto, madera, cemento, agregados. En este capitulo se abordará la estructura básica de los materiales, el proceso de producción del material, el comportamiento mecánico, influencia del medio ambiente, consideraciones de construcción y otras cuestiones importantes presentado en cada capítulo.

Por último cada material incluye una panorámica de diversos procedimientos, con el fin de introducir los métodos que se usan con cada material. Sin embargo, la descripción detallada de estos procedimientos se encuentran en las normas ASTM (American Society fo r Testing and Material) Material ) y la ASHTO (American Ass ociation of State Highw H ighw ay and Transportation officials) Curso: Materiales de Construcción C onstrucción

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Ingeniería Civil 4. MARCO TEÓRICO 4.1. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN: 4.1.1. DEFINICIÓN DE LOS MATERIALES: Según el diccionario, material es una palabra que proviene del término latino materialis   y hace referencia a lo que tiene que ver con la materia. la materia. La  La materia, por su parte, es aquello que se opone a lo abstracto o espiritual. Un material se dice que son elementos que se pueden transformar y agrupar en un conjunto. Por ejemplo, el conjunto formado por cuaderno, témperas, plastilinas, etc. se le puede denominar materiales escolares. El conjunto de cemento, acero, grava, arena, etc. se le puede llamar materiales de construcción. El concepto de material tiene diferentes usos según el contexto. De acuerdo a la perspectiva con la que se analice el término, se puede llegar a una u otra definición del mismo, en este texto definiremos materia entorno a la construcción

Fig. 1: Materiales Fuente: Google

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Ingeniería Civil Un material de construc ción    puede ser un bloque de materia o un componente que se utiliza para edificar ya sea un edificio o cualquier otra construcción. En este ámbito se consideran materiales aquellos componentes que permiten construir o reparar algo; entre los fundamentales se encuentran los ladrillos, arena, acero, vidrios, etc.

Fig. 2: Materiales de Construcción Fuente: Google

En conclusión un material de construcción se define a los materiales como sustancias con cualidades útiles que pueden ser térmicas, mecánicas o de otra clase, que sirven para la construcción, reparación, mantenimiento de una edificación.

4.1.2. DEFINICIÓN DE LOS MATERIALES Para dar una definición de lo que es un material, primero debe entenderse como es que está conformado. Lo primero es que un material

está

compuesto

por

elementos,

generalmente

los

elementos químicos encontrados en la naturaleza y representados en la tabla periódica de elementos químicos. Sin embargo, esto no es todo, en los materiales estos elementos están relacionados por Curso: Materiales de Construcción

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Ingeniería Civil una composición química definida. Un ejemplo muy sencillo es la sal común, su fórmula química es NaCl, lo que significa que hay un átomo de Sodio (Na) por cada átomo de Cloro (Cl) y es la única forma de obtener este compuesto.

Fig. 3: Sal Común (NaCl) Fuente: Google

El último factor importante de un material es el acomodo de estos elementos,

es

decir,

su

estructura,

los

materiales

están

caracterizados por tener una estructura, determinada y única, si este acomodo cambia, cambiarán las características del material y por lo tanto se hablará de este como una variación o como otro material distinto.

En resumen, los materiales están formados por elementos, con una composición y estructura única y que además, pueden ser usados con algún fin específico.

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Ingeniería Civil Los

materiales

utilizados

en

construcción

en

una

primera

clasificación se pueden dividir en dos tipos generales atendiendo a su origen (Clasificación genética):

Naturales y art ificiales. Los m ateriales naturales , son aquellos que pueden ser empleados tal como se hallan en la naturaleza, labrándolos para darles la forma y dimensiones adecuadas, pero sin realizar en ellos transformación físico-química alguna.

Los materiales naturales se clasifican en:

Materiales or gánic os o ino rg ánic os . Los mat eriales or gánic os ,  proceden de animales o vegetales, crecen y mueren de acuerdo a las leyes biológicas, con una forma propia definida, reproduciéndose y siendo perecederos, por lo que son necesarios tratamientos que impidan su alteración. Como ejemplo de material natural orgánico tenemos las maderas.

Fig. 4. Repostero Cocina-Pino Celulosa (50%): (C6H10O5)n Fuente: Google

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Ingeniería Civil Los m ateriales in or gánic os ,  están formados por unión de sus moléculas, y pueden adoptar estructura vítrea o cristalina. Forman parte de este grupo las rocas y minerales utilizados para la obtención de la mayoría de materiales artificiales. Pertenecientes a este grupo, son los materiales más importantes utilizados en construcción.

Fig. 4. Granito y Mármol sin pulir Fuente: Google

Como ejemplo de material natural inorgánico, todos los pétreos naturales

y

como

artificial

inorgánico:

los

cerámicos,

los

aglomerantes, los metales, etc.

Los m ateriales artificiales,  son aquellos que tras un proceso de elaboración y transformación de su composición, adquieren las características apropiadas a su uso. Se utilizan como materias primas para su obtención los materiales naturales, que modificados a base de los distintos procesos de fabricación, dan como resultado el material artificial.

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Fig. 5. Plástico-(Polietileno) (CH2-CH2)n Fuente: Google

Según lo anterior los materiales se pueden clasificar en 7 grupos:

Pétreos naturales: Rocas sedimentarias, ígneas, etc. Pétreos artificiales:  Cerámicos y vidrio, Aglomerantes Primarios (Yesos, cales y cementos), Aglomerantes Secundarios (Mortero y Concreto)

Metálicos: Barras de acero, alambres. Orgánicos Naturales: Maderas, corchos. Orgánicos Artificiales: Resinas, plásticos. Bituminosos:  Betún, Asfalto, Alquitrán. Se consideran aparte de los aglomerantes divididos anteriormente, pero son un tipo de aglomerante llamados aglomerantes hidrocarbonados.

Pinturas:Barnices, esmaltes, lacas, colorantes, entonadores y sella dores

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Ingeniería Civil 4.1.3. CONSIDERACIONES GENERALES DE LOS MATERIALES: Los ingenieros civiles son aquellas personas responsables de seleccionar, especificar y realizar el control de calidad de materiales que van a emplear en su trabajo. En la ingeniería los materiales tienen que cumplir con algunos criterios o propiedades (Ashby y

Jones, 1980). Los criterios que se considerarán en este texto son:



Factores Económicos.



Propiedades Mecánicas.



Propiedades no Mecánicas.



Consideraciones de Producción y Construcción



Propiedades Estéticas .

Los ingenieros civiles como hemos hablado deben de estar familiarizados con los materiales en la construcción de muchas estructuras. Entre los materiales más usados en la construcción tenemos el acero, agregados, albañilería, asfalto y madera. Otros materiales menos utilizados son el aluminio, el vidrio, el plástico y los compuestos de fibras reforzados. Los ingenieros geotécnicos suelen decir que el material más importante en la ingeniería es el suelo, este tema es muy importante pero en este curso no se verá; ya que es de un curso más avanzado. (Mamlou k-Zaiewsk i, 2009)

El avance en la tecnología ha podido generar nuevos materiales, o mejorar los ya existentes, cambiando sus estructuras moleculares o

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Ingeniería Civil incluyendo aditivos con el fin de mejorar su calidad, costo y rendimiento. Los súper-plastificantes por ejemplo han hecho que el concreto sea de mayor dureza, los materiales elastoméricos (en uniones) han podido realizar estructuras de gran altura con mucha seguridad, agregados sintéticos ligeros han podido crear elementos estructurales más resistentes y de menor espesor, por el peso ligero de estos y también las fibras de acero que han podido resistir más fuerzas que un concreto armado (concreto+acero), además que esto disminuye el efecto de corrosión que afecta la estructura.

Dependiendo de la ubicación y las condiciones de los materiales, ellos varían mucho sus propiedades, por esto el Ingeniero debe de conocer lo más básico de los materiales para que la construcción sea menos costosa, de mayor calidad y que posea buena estética.

a. Factores Económicos Los materiales además de tener buena calidad también deben de poseer un costo razonable para el proyecto, por esto se tiene que tener en cuenta los siguientes factores:

Fig. 1. Factor Económico Fuente: Google

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Ingeniería Civil 

Transporte:  Los materiales deben de estar a lugares cercanos de la obra para que los fletes no aumenten los costos de la misma, por ejemplo en muchos lugares, no es fácilmente conseguir agregados de calidad para el concreto y el asfalto. Si la fuente de suministro de áridos más próxima a una determinada ciudad se encuentra a unos 150 Km. Esta distancia puede duplicar aproximadamente el costo de la obra.

Fig. 2. Factor Transporte Fuente: Google



Fabricación:  Algunos materiales no son comerciales y son específicamente para un tipo de obra, como por ejemplo el Cemento Tipo V tiene que ser pedido a una fábrica de cemento.

Fig. 3. Factor Fabricación Fuente: Google

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Cantidad:  La cantidad de material que existe en una determinada zona, podría afectar el costo de las obras, en una carretera por ejemplo se utilizan agregados de la zona, a veces no habiendo el material con la calidad que en el expediente té c n ic o  se solicita, teniéndose que traer material de otro lugar o mejorarlo así aumentando el presupuesto de la misma.

Fig. 4. Factor Cantidad Fuente: Google 

Costo: Los costos del material que se va a solicitar deben de estar de acuerdo con la envergadura y tipo de estructura que se va a realizar. Por ejemplo un elemento estructural de acero para un edificio, pueden ser fabricados en un taller, transportados al lugar donde vaya hacerse la construcción, colocarse mediante una grúa y soldarse después. Por el contrario, en el caso de un edificio de concreto armado, deben crearse los encofrados, colocarse la armadura de acero, colocar y mezclar el concreto y dejar que endurezca y retirar después los encofrados. La construcción de un edificio con estructura de concreto puede ser mucho más compleja, costosa y puede llevar más tiempo que la construcción de acero.

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Fig. 5. Costos de Materiales Fuente: Google

b. Propiedades Mecánicas El comportamiento mecánico de los materiales está en función a la reacción que tenga ante cualquier tipo de carga (Sismos, pesos, viento, etc), estas propiedades dependen de la geometría del material, el tipo de material, magnitud y tipo de carga. En las viviendas de Cajamarca se tienen construcciones de acero y concreto (Concreto armado) en su mayoría, pero alguna vez nos hemos puesto a pensar porque se utilizan estos 2 tipos de materiales unidos. La principal causa es que el acero trabaja bien a tracción y el concreto a compresión, teniendo un material compuesto que trabaja bien ante cualquier fuerza axial. Además el acero tiene un comportamiento dúctil (Sufren una deformación plástica antes de fallar), y el concreto tiene un comportamiento frágil (No posee una deformación plástica antes de fallar), en la construcción se prefiere la construcción con materiales dúctiles, porque da un margen de seguridad antes de fallar.

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Fig. 6. Factor Económico Fuente: Google

Condiciones de Carga La consideración que se tiene en cuenta en el diseño es el tipo de carga al que la estructura estará sometida durante su vida útil.

Tenemos dos tipos de cargas: Cargas estáticas y dinámicas.

Las cargas estáticas, son aquellas cargas constantes que están en forma permanente o no durante la vida útil del proyecto, por ejemplo el peso de la estructura. Según la Norma NTP-020    está vienen hacer las cargas muertas y vivas.

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Fig. 7. Cargas Estáticas Fuente: Google

Las cargas dinámicas,  son aquellas que se generan por vibraciones o sacudidas, por ejemplo los sismos, tránsito de personas, vibraciones de máquinas, entre otras. Según la Norma NTP-020  está vienen hacer las cargas de viento, sismo, etc.

Existen 3 tipos de cargas dinámicas;

Las aleatorias    aquellas cargas que vienen de una forma improvista como los sismos, periódicas   una carga armónica o sinusoidal, se repite así misma durante un tiempo; ejemplo un equipo giratorio y por ultimo las transitorias    estas cargas generan un impacto por un corto tiempo de modo que las vibraciones disminuyen hasta un estado de reposo, por ejemplo los vehículos que pasan por un puente.

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Fig. 8. Cargas Transitorias Fuente: Google

Fig. 9. Cargas Periódicas Fuente: Google

Fig. 10. Cargas Aleatorias Fuente: Google

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Ingeniería Civil Relación Esfuerzo-Deformación Primero definiremos que es el esfuerzo y la deformación. El esfuerzo es la fuerza dividida entre el área de una sección determinada y la deformación lineal es la división de la variación de la longitud entre la longitud inicial que sufre cualquier cuerpo por una fuerza axial.

VS

Fig. 10. Esfuerzo vs Deformación Fuente: Google

 Así

como

existe en

desplazamiento,

física

un

diagrama

de

fuerza

vs

que en este diagrama el área bajo la curva

representa el trabajo que realiza un cuerpo por una fuerza en una determinada distancia, en la mecánica de materiales existe el diagrama de esfuerzo vs deformación, en este caso el área bajo la curva es la energía que almacena el cuerpo al generársele una fuerza para romper el material (ER).

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VS

Fig. 10. Trabajo vs ER Fuente: Google

Existen

varias

curvas

típicas

mono-axiales

de

esfuerzo-

deformación para tracción o compresión para diversos materiales de ingeniería. La relación esfuerzo-deformación lineal, hasta el punto en el que falla el material. Entre los materiales típicos que presentan este comportamiento frente a la tracción están el cristal y el yeso. También el comportamiento del acero sometido a tensión. Aquí, se obtiene una relación lineal hasta un cierto punto (límite de proporcionalidad), después del cual el material se deforma sin que se produzca un gran incremento de esfuerzo. Por otro lado, las aleaciones de aluminio exhiben una relación esfuerzo-deformación lineal hasta el límite de proporcionalidad, después del cual existe una relación no lineal. Además existe una relación no lineal a lo largo de todo el rango. El concreto y otros materiales presentan este tipo de relación, aunque la primera parte de la curva correspondiente al concreto es bastante próxima al caso lineal. El caucho blando sometido a tensión difiere de la mayoría de los materiales, en el sentido que muestra una relación esfuerzo-deformación casi lineal seguida de una curva invertida. (Mamlou k-Zaiews ki, 2009)

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Fig. 11. Partes diagrama Esfuerzo vs Deformación Fuente: Google

PROBLEMA EN CLASE

Comportamiento Elástico  Al generársele una fuerza a cualquier cuerpo este se deformará; pero si deja de aplicar la fuerza y vuelve a su estado natural, se dice que este cuerpo posee un comportamiento elástico.

Fig. 12. Ejemplo clásico de comportamiento elástico: Resorte Fuente: Google

Young, observo que los materiales elásticos poseen una constante de proporcionalidad diferente entre el esfuerzo y la deformación. Para un material elástico, homogéneo, isotrópico y Curso: Materiales de Construcción

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Ingeniería Civil lineal, la constante de proporcionalidad entre el esfuerzo normal y la deformación es constante y se le denomina modulo de Young (E), que equivale a:



 

  ()

     

Cuando se realiza un ensayo de tracción, al momento que se genera el esfuerzo axial este va alargar el eje pero acortar la sección, generándose así en la sección una relación entre la deformación lineal (  ) y la deformación lateral (  )  llamado modulo de poisson ( ).



 

Fig. 13. Deformación transversal y longitudinal. Fuente: Google

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Ingeniería Civil Este caso es para casos en la que el esfuerzo está en una sola dirección (uniaxial o monoaxial), pero en los casos en que actúa en tres direcciones, se tienen las siguientes formulas.

     

  (   )    (   )    (   ) 

 A esta ecuación se le conoce como ley de Hoo ke Generalizada  .







Fig. 13. Esfuerzo Triaxial (3 Planos) Fuente: Google

EJEMPLO EN CLASE

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Ingeniería Civil Linealidad vs Elasticidad Muchos Ingenieros confunden linealidad y elasticidad, la relación esfuerzo-deformación de un material lineal sigue una línea recta. Por su parte, un material elástico vuelve a su forma original cuando se elimina la carga y reaccionan instantáneamente a las variaciones de la carga. En las siguientes figuras mostramos un comportamiento lineal y no lineal. Para el caso de los materiales del concreto y el terreno, puede resultar problemático calcular el módulo de Young o módulo de elasticidad. Para estos materiales, existen diversas opciones experimentales para calcular este módulo.

Por ejemplo el

módulo de la tangente inicial, el módulo de secante, módulo de la cuerda.

Comportamiento Elastoplastico Para algunos materiales, a medida que se incrementa el esfuerzo aplicado al elemento, la deformación se incrementará de manera proporcional hasta alcanzar un cierto punto. Después de ese punto, la deformación se incrementará aplicando muy poco esfuerzo adicional. En este caso, el material exhibe un comportamiento elástico lineal, seguido de una respuesta plástica. El nivel de esfuerzo para el que el comportamiento cambie de elástico a plástico se denomina límite de elasticidad. Cuando la carga se elimina del elemento, parte de la deformación se recuperará y otra parte será permanente. El comportamiento plástico indica una deformación permanente del material, de modo que este no vuelva a su estado original al Curso: Materiales de Construcción

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Ingeniería Civil eliminar la carga, los enlaces atómicos se estiran o comprimen mas no se rompen (Callister, 2003) 

El esfuerzo requerido para provocar una deformación plástica se va incrementado, este proceso se denomina endurecimiento por

deformación

o

endurecimiento

por

tratamiento

m ec án ic o .  Un claro ejemplo de esto es el acero que se va endureciendo por deformación durante la deformación plástica. En algunos materiales existe lo contrario y exhiben lo que se denomina un ablandamiento por d eformación  , que consiste en que la deformación plástica provoca un debilitamiento del material, un ejemplo claro de esto es el concreto. Como hemos hablado anteriormente, los materiales que no sufren deformación plástica antes de fallar como el concreto se denomina frágil, mientras que los materiales que muestran una deformación plástica apreciable, como por ejemplo el acero dulce se denominan dúctiles.

Entonces el límite de proporcionalidad es el punto de transición entre el estado lineal y no lineal; el límite elasticidad es el punto de transición del límite elástico al plástico.

Respuesta dependiente del tiempo Nuestro análisis presuponía que la deformación era una respuesta inmediata al esfuerzo. Esta suposición se hace para los materiales elásticos. Sin embargo, ningún material presenta esta propiedad bajo todas las condiciones posibles. En algunos casos, los materiales tienen respuesta retardada. La cantidad de Curso: Materiales de Construcción

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Ingeniería Civil deformación depende de la duración de la carga, de la temperatura y de las características del material. Existen varios mecanismos asociados con la deformación dependiendo del tiempo, como son la reptación y el flujo viscoso. No existe distinción clara entre estos dos términos. La reptación se asocia generalmente con deformaciones a largo plazo y suele tener lugar

en metales, cristales iónicos y covalentes y materiales

amorfos. Por otro lado el flujo viscoso se asocia sólo con los materiales amorfos y puede tener lugar con cargas a corto plazo. Por ejemplo, el concreto es un material que tiene predominante cristales covalentes y puede sufrir reptación a lo largo de un periodo de décadas, esto aparece con microrupturas en la interfaz entre la pasta de cemento y las partículas del agregado . Los pavimentos de concreto asfaltico, (Mehta y Mon teiro, 1993)  un material de aglomerante amorfo puede presentar baches causados por el efecto acumulado de flujos viscosos resultantes de la carga de tráfico, con una duración de carga de sólo una fracción de segundo. Los modelos de flujo viscoso son similares en su naturaleza a la ley de Hooke. En los materiales linealmente viscosos, la tasa de deformación es proporcional al nivel de esfuerzo. Estos materiales no se recuperan y tampoco son comprensibles (Mamlou k-Zaiewsk i, 2009) 

Efectos de la temperatura y del tiempo Las cargas externas (carg as m uer tas y viv as, sísm icas )   no son las únicas fuentes de tensiones y deformaciones en una estructura. Existen otras fuentes, como los efec to s t é rm ic o s que surgen

de

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los

cambios 24

de

temperatura, Docente:

los

desajustes 

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Ingeniería Civil resultantes de las imperfecciones en su construcción, y las deformaciones

previas.  Estos

cambios

de

temperatura

producen dilatación o contracción del material con lo cual se generan deformaciones térmicas y tensiones térmicas. Cuando un cuerpo se calienta, cada elemento del material cada elemento del

material

sufre

deformaciones

térmicas

en

todas

las

direcciones y, en consecuencia, las dimensiones del bloque se incrementan. (Timo shen ko , 2012) 

  () ()

EJEMPLO EN CLASE

El comportamiento mecánico de

todos los materiales se ve

afectado por la temperatura. Sin embargo, algunos materiales son más susceptibles a la temperatura que otros. Por ejemplo, los materiales visco-elásticos, como plásticos y asfalto se ven enormemente afectados por la temperatura que otros. Por ejemplo, los materiales, como los metales y concreto se ven menos afectado por la temperatura, especialmente cuando se encuentran a una temperatura próxima a la temperatura ambiente. (Mamlou k-Zaiewsk i, 2009)

Efectos de la carga  Además de la temperatura, algunos materiales, como los visco elásticos se ven afectados por la duración de carga. Cuanto más tiempo se aplique la carga, mayor será la cantidad de

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Ingeniería Civil deformación o de reptación . Cuando se incrementa la carga tienen el mismo comportamiento que cuando se aumenta la temperatura.

Los materiales visco-elásticos no solo se ven afectados por la duración de la carga sino también por la tasa de aplicación de la misma. Si la carga se aplica a gran velocidad, el material es más rígido que si se aplica a una velocidad menor. Por ejemplo, si un camión pesado pasa a alta velocidad por un pavimento de asfalto, no se observará una deformación permanente. Sin embargo, si se aparca el mismo camión en un pavimento asfáltico en un día caluroso, podrán observarse algunas deformaciones permanentes en la superficie del pavimento. (Mamlou k-Zaiews ki, 2009) 

Fallos y seguridad La Ingeniería ha sido bien descrita como la aplicación de la ciencia a los pro pósitos com unes de la vida. Para cumplir con esta misión, los ingenieros diseñan una variedad sin fin de objetos que satisfacen las necesidades básicas de la sociedad. Esas necesidades incluyen habitación, agricultura, transporte, comunicación y muchos otros aspectos de la vida moderna. (Timo sh enko , 2012)

Para evitar un fallo estructural, las cargas que una estructura es capaz de soportar deben ser mayores que las cargas a la que estará sometida en servicio. La capacidad de una estructura para resistir cargas se llama resistencia, entonces, el criterio anterior Curso: Materiales de Construcción

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Ingeniería Civil puede formularse como sigue: la resistencia verdadera de una estructura d ebe exceder la resistencia requerida.  El cociente entre la resistencia verdadera y la resistencia requerida se llama factor de seguridad n:



   

()

Por supuesto, el factor de seguridad debe ser mayor a 1 para que no ocurra fallo. Se utilizan factores desde 1 a 10, teniendo en cuenta que al subir el factor de seguridad el costo de la estructura también va ser mayor. (Timo sh enko , 2012) 

La falla de un elemento o estructura puede producirse de diversos modos, entre los que se incluyen la fatiga por fractura, la fluencia general, el alabeo y la deformación excesiva. La fractura  es un modo de fallo común, un material frágil se fracturará normalmente de forma súbita cuando el esfuerzo estático alcance la resistencia del material, donde la resistencia se define como el esfuerzo máximo que el material puede soportar. Por otro lado, un material dúctil puede fracturarse a causa de una deformación plástica excesiva.

Muchas estructuras, como los puentes, están sujetas a cargas repetitivas, creando esfuerzos inferiores a la resistencia del material. Estos esfuerzos repetitivos pueden hacer que el material falle o se fatigue  , para un nivel de esfuerzo bastante por debajo de la resistencia del material. El número de aplicaciones de carga que un material puede soportar dependerá del nivel de Curso: Materiales de Construcción

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Ingeniería Civil esfuerzo en relación con la resistencia del material. Por ejemplo los materiales ferrosos tienen un límite de resistencia a la fatiga aparente

c. Producción y Construcción Incluso si un material está bien adaptado a una aplicación específica,

determinadas

consideraciones

relativas

a

la

producción y la construcción pueden impedir la selección de ese material. Entre las consideraciones de producción se incluyen la disponibilidad del material y la capacidad para fabricarlo en las formas deseadas y según las especificaciones requeridas. Las consideraciones de construcción hacen referencia a todos los factores relacionados con la capacidad de fabricar y erigir la estructura en su lugar final. Uno de los factores principales es la disponibilidad de mano de obra adecuadamente formada. Por ejemplo, en algunas ciudades, se emplea concreto de alta resistencia para los rascacielos, mientras que en otras se prefiere emplear como material el acero.

d. Características Estéticas Las características estéticas hacen referencia a la apariencia del mismo. Generalmente, estas características son responsabilidad del arquitecto. Sin embargo, el ingeniero civil es responsable de colaborar con el arquitecto para garantizar que las características estéticas sean compatibles con los requisitos estructurales. Durante la construcción de muchas obras públicas, un cierto porcentaje de la inversión va dirigido a los aspectos artísticos. Curso: Materiales de Construcción

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Ingeniería Civil e. Ensayos en laboratorio  Ahí diferentes tipos de ensayos que se realizan para determinar y verificar las propiedades mecánicas y no mecánicas de los diferentes tipos de ensayos que existen.

Para el caso de rocas, concreto, acero, se utiliza métodos experimentales

para

determinar

la

resistencia

y

la

deformabilidad; su finalidad es establecer la relaciones entre los esfuerzos y las deformaciones durante el proceso de carga y rotura, los esfuerzos a que está sometida un material en el momento de la rotura y sus parámetros de laboratorio de compresión uniaxial, compresión triaxial y tracción. (Gonzales de Vallejo, 2002)

Para el caso de los materiales pétreos como la arena, la grava, se

utilizan

otros

ensayos

para

determinar

diferentes

características y propiedades. Por ejemplo para conocer la proporción de cada material que tiene un suelo se realizan análisis granulométricos, utilizando la vía seca para partículas de tamaños superiores a 0.075 mm.

En cada uno de los materiales se explicara un ensayo de laboratorio basándonos en las normas ASTM y ASHTO.

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Ingeniería Civil 4.1.4. MATERIALES PÉTREOS Son aquellos materiales sólidos y duros formados por un conjunto de minerales y que pueden ser utilizados por el ser humano como material de construcción.

Dentro de los materiales pétreos podemos encontrar las rocas naturales, obtenidas directamente de la naturaleza y posteriormente pulidas y tratadas y las rocas artificiales, formadas por pequeños trozos de rocas naturales mezcladas y aglomeradas para dar un aspecto de roca natural.

MATERIALES PÉTREOS NATURALES: Las rocas naturales más utilizadas son los granitos, las pizarras y los mármoles:

GRANITO: Es un tipo de roca ígnea (procedente del magma de los volcanes) formada por tres minerales: cuarzo, feldespato y mica. Se utilizan para hacer piedras de mampostería, losas, pavimentos, estatuas y adornos.

Fig. 14. El granito Fuente: Google

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Ingeniería Civil PIZARRA: Es una roca sedimentaria (producida por la erosión) que está formada por varias capas de sedimentos de sílice, arcillas, etc. Las pizarras se utilizan principalmente para las cubiertas de tejados debido a su capacidad de impermeabilizar, también puede utilizarse como pavimentos y mampostería .

Fig. 14. La pizarra Fuente: Google

MÁRMOL:  Son rocas muy duras y resistentes, constituidas por calizas, dolomitas o una mezcla de ambas, la presencia de impurezas en forma de óxidos metálicos o elementos orgánicos le confiere una gran variedad de colores, tonalidades y dibujos. Como pueden pulirse y obtenerse un acabado muy fino se utilizan para la construcción de lujo y para elementos ornamentales (de adorno).

Fig. 15. Mármol Fuente: Google

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Ingeniería Civil MATERIALES PÉTREOS ARTIFICIALES: Llamamos pétreos artificiales a aquellos materiales que tienen características similares a los naturales o por lo menos aspecto, habiendo sido obtenidos mediante un proceso de fabricación, a partir de rocas naturales como materias primas, con la intención de conseguir mejorar alguna de las propiedades de los pétreos naturales y sobre todo por economía al permitir conseguir piezas complejas por simple moldeo evitando la talla.

Existen tres tipos básicos de pétreos artificiales:

Llamamos p é tr eo s art if ic ial es   a aquellos materiales que tienen características similares a los naturales o por lo menos aspecto, habiendo sido obtenidos mediante un proceso de fabricación, a partir de rocas naturales como materias primas, con la intención de conseguir mejorar alguna de las propiedades de los pétreos naturales y sobre todo por economía al permitir conseguir piezas complejas por simple moldeo evitando la talla.

Existen tres tipos básicos de pétreos artificiales:

Cerámicos: Propiamente dichos. Se obtienen por transformaciones físico-químicas de las arcillas mediante el calor, moldeándose previamente las piezas gracias a la plasticidad que adquieren las pastas arcillosas con cierto contenido de agua.

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Fig. 15. Ladrillo y Porcelana Fuente: Google

Vidrios:  De carácter cerámico, se obtienen sin embargo de forma distinta al fundir óxidos silícicos a alta temperatura, logrando una masa vítrea que se moldea y adquiere rigidez al enfriarse.

Fig. 17. Vidrios en Edificios Fuente: Google

Aglomerantes:  Obtenidos por la acción del calor sobre materias primas naturales, consiguiéndose un producto anhidro que tiende a reaccionar con el agua en un proceso químico denominado hidratación con efectos físicos de solidificación y mecánicos de

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Ingeniería Civil adquisición de resistencias. Su moldeo en forma de pastas con agua, y en ocasiones con áridos, permite obtener en frío, piezas similares a los pétreos naturales.

Fig. 18. Yeso Calcinado Fuente: Google

Fig. 19. Cal Fuente: Google

Fig. 20. Cemento en Concreto Fuente: Google

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Ingeniería Civil PREGUNTAS El siguiente formulario es una ronda de preguntas que consta de 2 partes, la primera respecto a lo explicado, y segundo sobre la investigación que el estudiante hará referente al tema realizado. Para las preguntas sea claro y preciso. El trabajo no se presentará en trabajo físico, pero se sugiere    que el alumno repase las preguntas porque podría ser que se tome mediante un examen oral o fís ic o .

1. Del tema: 1.1. ¿Qué es un material? 1.2. ¿Por qué están compuestos los materiales? De un ejemplo 1.3. ¿Cuál es la clasificación de origen de los materiales? 1.4. ¿Qué son los materiales naturales? Ejemplifique 1.5. ¿Cuál es la clasificación de un material natural? 1.6. ¿Qué es un material orgánico? 1.7. ¿Qué es un material inorgánico? 1.8. Explique brevemente que son los materiales artificiales, ejemplifique. 1.9. ¿Cuáles son los 7 grupos en que se puede clasificar los materiales? 1.10. ¿Qué personas son responsables de seleccionar, especificar y realizar el control de calidad de materiales que se va a emplear en su trabajo? 1.11. ¿Cuáles son los criterios que se consideran en la selección de los materiales para la construcción? 1.12. ¿Cuáles son los materiales más utilizados en la ingeniería civil? 1.13. Indíqueme 3 nuevos materiales que se tienen hoy en día y cuál es su uso en la actualidad. 1.14. Explique a que se refiere el factor económico en los materiales. 1.15. Explique brevemente los factores del factor económico. 1.16. ¿Qué es el comportamiento mecánico de los materiales? 1.17. ¿Cuál es la idea principal de trabajar con acero y concreto? 1.18. ¿Cuáles son las 2 tipos de cargas? 1.19. ¿Cuál es la norma en Perú respecto a cargas? 1.20. ¿Que son las cargas dinámicas? 1.21. ¿Que son las cargas estáticas? 1.22. ¿Cuáles son los 3 tipos de cargas dinámicas? 1.23. ¿Que son las cargas aleatorias? 1.24. ¿Que son las cargas periódicas? 1.25. ¿Que son las cargas transitorias? Curso: Materiales de Construcción

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Ingeniería Civil 1.26. ¿Qué es el esfuerzo y cuál es su expresión matemática? 1.27. ¿Cuáles son las características superficiales importantes en la ingeniería civil? 1.28. ¿Qué es la deformación y cuál es su expresión matemática? 1.29. ¿Qué es una fuerza unidireccional (mono-direccional)? 1.30. Explique para qué sirve el diagrama fuerza vs desplazamiento. 1.31. Explique para qué sirve el diagrama esfuerzo vs deformación 1.32. ¿Qué es la corrosión y degradación? 1.33. A que se refiere la resistencia a la abrasión y el desgaste. 1.34. ¿Qué es la textura superficial? 1.35. ¿Qué es límite de proporcionalidad y el límite de elasticidad? 1.36. ¿Qué es el módulo de resiliencia? 1.37. ¿Qué es la tenacidad? 1.38. Decir que un material es de alta resistencia, quiere decir que tiene alta tenacidad. ¿Verdad o Falso? Explicar 1.39. ¿Qué es el límite elástico? 1.40. ¿Qué es el límite inelástico? 1.41. A que se denomina Modulo de Young. 1.42. ¿Cuál es la relación matemática del módulo de Young en un estado mono-axial? 1.43. ¿Qué es el módulo de poisson y cuál es su relación matemática en un estado mono-axial? 1.44. ¿Cuáles son las ecuaciones de la ley de Hook e generalizada ? 1.45. Es igual la linealidad con la elasticidad. 1.46. ¿Cómo se puede calcular el módulo de Young en un material no lineal? 1.47. ¿Qué es el comportamiento plástico? 1.48. ¿Qué es el comportamiento elastoplástico? 1.49. En un comportamiento plástico, ¿los enlaces de los átomos del material se rompen o solamente se estiran o comprimen? 1.50. A que se refiere el endurecimiento por deformación o endu recim iento po r tratamien to m ecánico  1.51. A que se refiere un ablandamiento por deform ación. 1.52. ¿Qué es la ductilidad en un material? Ejemplifique 1.53. ¿Qué es la fragilidad en un material? Ejemplifique. 1.54. ¿Qué mecanismos asociados con la deformación dependen del tiempo? 1.55. ¿Qué es la reptación y en que materiales se da? 1.56. ¿Qué es el flujo viscoso y en que tipos de materiales se da? 1.57. ¿Cuáles son las otras fuentes de tensiones y deformaciones que afectan a un elemento? 1.58. ¿Qué materiales son más susceptibles a la temperatura?

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Ingeniería Civil 1.59. ¿El efecto de la carga en los materiales visco elásticos generan una mayor deformación? ¿Porque? 1.60. ¿La velocidad con que se aplica una carga influye mucho en la deformación de un material?. Explique 1.61. ¿Qué es un fallo estructural? 1.62. Ingenierilmente, ¿cuál es el criterio para evitar el fallo estructural? 1.63. ¿Qué es la resistencia? 1.64. ¿Cuál es la relación del factor de seguridad? 1.65. Matemáticamente, ¿Cuál es el valor mínimo del factor de seguridad para evitar un fallo? 1.66. ¿Cuáles son los fallos principales que se puede dar en una estructura? 1.67. Explique a que se refiere la falla de fatiga por fractura. 1.68. Explique a que se refiere la falla por fluencia general. 1.69. Explique a que se refiere la falla por alabeo. 1.70. Las propiedades no mecánicas están en función a la respuesta de cargas a la que está sujeta un material. ¿Por qué? 1.71. ¿Cuáles son las propiedades no mecánicas más importantes? 1.72. Explique a que se refiere la falla por deformación excesiva. 1.73. ¿Qué es la densidad y cuál es su expresión matemática? 1.74. ¿Qué es el peso específico y cuál es su expresión matemática? 1.75. Diferencia entre la densidad y peso específico. 1.76. ¿Por qué es importante considerar el factor producción y construcción al momento de elegir un material? 1.77. ¿Por qué cree usted que es importante el factor características estéticas de un material, al momento de seleccionarlo? 1.78.  A que se refiere los ensayos en laboratorio y para que sirven. 1.79. En el caso de las rocas, los ensayos de laboratorio que me ayudan a determinar. 1.80. En el caso de los agregados, los ensayos de laboratorio que me ayudan a determinar. 1.81. ¿Qué son los materiales pétreos? 1.82. ¿Cuáles son los materiales pétreos naturales más utilizados en la construcción? 1.83. Explique cómo se forman las rocas sedimentarias, ígneas y metamórficas. Ejemplifique. 1.84. ¿Qué son los materiales pétreos artificiales? 1.85. ¿Cuáles son los 3 tipos básicos de materiales pétreos artificiales?

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