Propiedades Mecánicas
La manera en que un material responde a las fuerzas externas que actúan sobre él, en lo que se refiere a su comportamiento mecánico, desempeña un papel fundamental en la ingeniería civil y la construcción. Cada material, al ser sometido a cargas, experimenta deformación; sin embargo, la manera específica en que responde a estas cargas se encuentra influenciada por sus propiedades mecánicas inherentes, la naturaleza de las cargas aplicadas y la configuración geométrica de la estructura. La evaluación de las propiedades mecánicas es esencial para el diseño y la planificación de proyectos que aseguren la seguridad y la integridad de las estructuras construidas.
El concepto de “fallo” de un material está ligado a la capacidad del mismo para soportar las cargas aplicadas. La definición de fallo puede variar según diferentes criterios de evaluación. En casos evidentes, un fallo conlleva una fractura catastrófica del material, resultando en la falla completa de un elemento estructural y el potencial colapso de toda la estructura. Sin embargo, en situaciones menos visibles, las consecuencias de un fallo pueden ser igualmente graves. Por ejemplo, la superficie de un pavimento podría presentar una rugosidad excesiva, lo que podría considerarse un fallo, incluso si las propiedades de resistencia del material son adecuadas. En este sentido, la consideración de la geometría y la funcionalidad de los materiales es fundamental para definir los límites del rendimiento aceptable.
En la ingeniería civil, los edificios, puentes, carreteras y otras infraestructuras se diseñan con el objetivo de resistir y sobrellevar cargas diversas, ya sean cargas estáticas como el peso propio de la estructura o cargas dinámicas como el viento, el tráfico vehicular y las fuerzas sísmicas. La comprensión de las propiedades mecánicas de los materiales utilizados en estas construcciones es crucial para asegurar que la estructura pueda resistir de manera segura y efectiva todas estas fuerzas. Por ejemplo, la selección de un acero de alta resistencia para las vigas de un puente permitiría que el puente soporte cargas pesadas sin deformarse excesivamente.
Además de la resistencia a las cargas, también se considera la deformación que un material experimenta bajo estas fuerzas. La elasticidad es una de las propiedades mecánicas mas importantes; un material elástico es aquel que puede deformarse temporalmente bajo carga y luego regresar a su forma original cuando se retira la carga. Esta propiedad es esencial en estructuras que se someten a cargas cíclicas o repetitivas, ya que evita la acumulación de deformaciones permanentes.
Importancia en el Diseño Estructural
En términos de diseño estructural, el conocimiento de las propiedades mecánicas es esencial para determinar la capacidad de carga de un material y, por lo tanto, la cantidad de material necesario para garantizar la seguridad y la durabilidad de una estructura. Si las propiedades mecánicas de un material son insuficientes para resistir las cargas previstas, puede resultar en un diseño inseguro y en la necesidad de reforzar o rediseñar la estructura, lo que podría aumentar los costos y retrasar el proyecto.
Las propiedades mecánicas de los materiales utilizados en ingeniería civil y construcción tienen un impacto significativo en el comportamiento y la durabilidad de las estructuras. Comprender cómo los materiales responden a las cargas externas y cómo se deforman en diferentes condiciones es esencial para el diseño, la planificación y la ejecución exitosa de proyectos de ingeniería civil, garantizando la seguridad y el rendimiento óptimo de las infraestructuras construidas.
Respuesta frente a cargas.
Las condiciones de carga desempeñan un papel fundamental en el análisis de materiales en la ingeniería civil, ya que determinan cómo los materiales responderán a diferentes tipos de fuerzas y cargas a lo largo de la vida útil de una estructura. Estas condiciones influyen directamente en la selección de materiales y en el diseño de elementos estructurales para garantizar la seguridad, durabilidad y funcionalidad de las construcciones.
En el ámbito de la ingeniería civil, existen dos tipos principales de cargas: las cargas estáticas y las cargas dinámicas. Las cargas estáticas son fuerzas constantes o lentamente aplicadas a una estructura, y pueden incluir el peso propio de la estructura, las cargas permanentes como paredes y equipos, y las cargas temporales como la carga de ocupación. Estas cargas actúan de manera gradual y estable, permitiendo a los materiales ajustarse a las fuerzas sin generar vibraciones significativas.
Por otro lado, las cargas dinámicas generan vibraciones o movimientos en la estructura. Estas pueden ser periódicas, como las generadas por equipos rotatorios, o aleatorias, como las provocadas por terremotos. Las cargas dinámicas también pueden ser transitorias, como las generadas por vehículos pasando por un puente. Estas cargas imponen desafíos adicionales a los materiales, ya que deben soportar fluctuaciones en las fuerzas y vibraciones, lo que puede llevar a fatiga o deterioro prematuro.
Un ejemplo de carga estática sería el peso propio de un edificio y su contenido permanente, como las paredes y los sistemas de climatización. En contraste, un ejemplo de carga dinámica sería el viento que genera vibraciones en un puente o las cargas sísmicas durante un terremoto. La consideración cuidadosa de estas condiciones de carga permite a los ingenieros elegir los materiales adecuados y diseñar las estructuras de manera óptima para resistir las fuerzas a las que estarán expuestas, asegurando la seguridad y la integridad a lo largo del tiempo.
Gráfica de esfuerzo-deformación
La relación esfuerzo-deformación es una característica esencial en el análisis de materiales en la ingeniería civil, ya que describe cómo los materiales responden a las fuerzas aplicadas. Esta relación cuantifica la relación entre la fuerza ejercida sobre un material y la deformación resultante en el mismo. Desde los primeros descubrimientos de Robert Hooke en 1678, se ha observado que, dentro de ciertos límites, la deformación de un material es proporcional a la fuerza aplicada, dando lugar a una relación lineal; mediante los datos entregados de estas distintas graficas las cuales fácilmente se pueden obtener en los ensayos de tracción y compresión que se realizan en los laboratorios de resistencia de materiales, podemos calcular muchos datos sobre estas propiedades mecánicas y de capacidad portante de cada material.
Esta relación se describe matemáticamente a través de dos parámetros clave: el esfuerzo y la deformación. El esfuerzo es la fuerza aplicada por unidad de área (Fuerza/Area) y la deformación es la variación de longitud dividida por la longitud original (Variación de longitud/Longitud original). La gráfica esfuerzo-deformación, que representa estos dos parámetros, proporciona información esencial sobre las propiedades mecánicas de un material y su comportamiento frente a las cargas.
La relación esfuerzo-deformación es esencial para el diseño y análisis de estructuras en ingeniería civil. Permite prever cómo diferentes materiales responderán a las cargas y fuerzas a las que estarán sometidos durante su vida útil. La gráfica de esfuerzo-deformación para un material particular puede proporcionar información crucial sobre sus propiedades mecánicas, como su límite de elasticidad, punto de fluencia, límite de proporcionalidad y resistencia máxima. Esta información es vital para determinar si un material es adecuado para una aplicación específica y para garantizar la seguridad y durabilidad de las estructuras construidas.
Propiedades mecánicas elasto-plásticas
El comportamiento elastoplástico de los materiales en ingeniería civil se refiere a la capacidad de ciertos materiales de experimentar tanto deformación elástica como deformación plástica bajo cargas aplicadas. A diferencia del comportamiento elástico, donde los materiales recuperan su forma original después de la carga, el comportamiento elastoplástico implica que el material se deforma permanentemente después de cierto punto, incluso si la carga se elimina. Esta combinación de elasticidad y plasticidad es característica de muchos materiales utilizados en construcción, como el acero y el concreto reforzado.
La importancia del comportamiento elastoplástico radica en su relevancia para el diseño y análisis de estructuras en ingeniería civil. Al entender cómo los materiales se comportan bajo diferentes niveles de carga, los ingenieros pueden garantizar que las estructuras sean seguras y duraderas. Por ejemplo, en el diseño de puentes y edificios, es esencial considerar cómo los materiales se deformarán y soportarán las cargas a lo largo del tiempo. El comportamiento elastoplástico también es crucial para prevenir fallas catastróficas en estructuras, ya que proporciona información sobre cómo los materiales se deformarán antes de alcanzar su límite de resistencia.
La capacidad de los materiales para experimentar deformación elastoplástica permite a los ingenieros diseñar estructuras que puedan absorber energía y redistribuir cargas de manera efectiva. Esto es especialmente importante en situaciones como terremotos, donde las cargas cambian rápidamente y pueden exceder los niveles de carga estática. Al comprender y tener en cuenta el comportamiento elastoplástico de los materiales, los ingenieros pueden diseñar estructuras resistentes que puedan soportar cargas variables y proporcionar una respuesta segura y controlada ante diferentes condiciones de carga.
Comportamiento Elástico de Materiales
Cuando se aborda el concepto de comportamiento elástico de los materiales, sabemos que esta es una de las propiedades mecánicas que hace referencia a la capacidad de ciertas sustancias de reaccionar instantáneamente ante una carga aplicada, volviendo a su forma original al remover esta carga. Esta respuesta elástica es especialmente característica en una amplia gama de materiales, incluyendo la mayoría de los metales, particularmente a niveles de esfuerzo bajos. Durante la deformación elástica, la disposición de los átomos que conforman el material no se modifica de manera sustancial; más bien, se produce un estiramiento en los enlaces atómicos existentes. Una vez retirada la carga, estos enlaces recuperan su posición inicial. Un pionero en el estudio de esta relación fue Thomas Young, quien notó que diferentes materiales elásticos presentan diversas constantes de proporcionalidad entre el esfuerzo aplicado y la deformación resultante. Ver Modulo de elasticidad o Modulo de Young.
En el contexto de una prueba de tensión axial, donde un material es sometido a una fuerza de tracción, su elongación conlleva una reducción en la sección transversal en dirección lateral. En contraste, en la prueba de compresión axial, que implica una carga de compresión, ocurre un fenómeno inverso. Una relación de vital importancia es la conocida como relación de Poisson, que vincula la deformación lateral con la deformación axial. Esta relación se expresa con un signo negativo debido a que las deformaciones axial y lateral siempre poseen signos opuestos. La relación de Poisson presenta un rango teórico que oscila entre 0,0 y 0,5. Un valor de 0,0 reflejaría un material compresible donde las direcciones axial y lateral no interfieren entre sí, mientras que 0,5 indicaría un material que no experimenta cambio en su volumen bajo carga. En la práctica, la mayoría de los sólidos presentan valores de relación de Poisson entre 0,10 y 0,45, lo que sugiere que existe cierta influencia entre las direcciones axial y lateral durante la deformación elástica.
Trabajo y Energía en la Evaluación de Materiales
Al someter un material a pruebas de resistencia, se emplea una máquina de pruebas que genera una fuerza con el fin de mover o deformar dicho material. Dado que el trabajo se calcula multiplicando la fuerza por la distancia, el área bajo la curva de fuerza-desplazamiento representa el trabajo realizado sobre el objeto. Al dividir la fuerza entre el área de la sección transversal del material para obtener el esfuerzo, y dividir el cambio de longitud entre la longitud original para obtener la deformación, el gráfico de fuerza-desplazamiento se transforma en uno de esfuerzo-deformación. No obstante, el área bajo este último ya no se expresa en unidades de trabajo. Manipulando las unidades del gráfico esfuerzo-deformación, podemos deducir que esta área es equivalente al trabajo por unidad de volumen necesario para deformar o romper el material. Este concepto resulta valioso al seleccionar materiales para situaciones en las que deben absorber energía.
Por ejemplo, el área bajo la parte elástica de la curva se llama módulo de resiliencia. La energía requerida para fracturar un material es indicativa de su tenacidad, lo que destaca que la alta resistencia de un material no garantiza automáticamente su tenacidad. Por ejemplo, aumentar el contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a la fluencia, pero reduce su ductilidad. Esto resulta en un incremento de resistencia, aunque pueda disminuir la tenacidad.
Respuesta Temporal en la Deformación de Materiales
Nuestro análisis anterior asumió que la deformación era una respuesta instantánea al esfuerzo, suposición válida para materiales elásticos. Sin embargo, esto no se cumple en todos los casos, ya que algunos materiales exhiben una respuesta retardada en dependencia de sus propiedades mecánicas. La cantidad de deformación depende de la duración de la carga, la temperatura y las propiedades del material. Existen varios mecanismos asociados con esta deformación temporal, como la reptación y el flujo viscoso. Aunque estos términos no se distinguen claramente, la reptación suele aplicarse a deformaciones a largo plazo, mientras que el flujo viscoso está relacionado con materiales amorfos y puede ocurrir con cargas de corta duración. Ejemplos incluyen el hormigón, susceptible a la reptación a lo largo de décadas, y pavimentos de asfalto con flujos viscosos causados por el tráfico en fracciones de segundo. La reptación en metales es menos relevante en la ingeniería civil. En el acero, puede darse a temperaturas superiores al 30% de su punto de fusión absoluto, afectando el diseño de reactores nucleares y calderas.
Modelado Reológico del Comportamiento Mecánico
Los modelos reológicos se emplean para describir mecánicamente el comportamiento temporal de los materiales, especialmente los poliméricos, que se caracterizan por diversas formas de deformación. Estos materiales se pueden modelar mediante la combinación de elementos físicos simples, utilizados en reología. Tres elementos fundamentales en la reología son los de Hooke, de Newton y de St. Venant, que se combinan en serie o en paralelo para representar comportamientos complejos.
Efectos de la Temperatura y el Tiempo en el Comportamiento Mecánico
La temperatura afecta el comportamiento mecánico de todos los materiales, aunque algunos son más sensibles que otros. Los viscoelásticos, como los plásticos, se ven fuertemente influenciados por pequeñas variaciones de temperatura. En contraste, metales y hormigón se ven menos afectados cerca de la temperatura ambiente, aunque los metales ferrosos pueden volverse frágiles por debajo de su temperatura de transición. La duración de la carga también influye, similar a cómo lo hace la temperatura. Los viscoelásticos son afectados por la velocidad de aplicación de la carga. Por ejemplo, un pavimento de asfalto no mostrará deformaciones permanentes ante un camión a alta velocidad, pero sí ante el mismo camión estacionado en un día cálido.
Fallos y Seguridad en Materiales y Estructuras
Los fallos se presentan cuando un elemento o estructura no puede cumplir su función prevista. Los modos de fallo incluyen fractura por fatiga, fluencia general, alabeo y deformación excesiva. La fractura es un fallo común, ocurriendo de manera abrupta en materiales frágiles y por deformación plástica en materiales dúctiles. Cargas repetidas pueden causar fatiga en estructuras, incluso por debajo de la resistencia material. Materiales ferrosos tienen un límite de resistencia a la fatiga, generalmente entre un cuarto y la mitad de la resistencia del material. Ejemplos de fallos incluyen puentes y pavimentos, donde cargas repetidas causan fisuras de fatiga.
Conclusión
Las propiedades mecánicas de cada material puede variar mucho, y dependiendo de estas propiedades mecánicas los ingenieros deben lograr identificar si dicho material cumple con los requerimientos o es capaz de cumplir la función para la cual se dispuso; el estudio de las propiedades mecánicas es uno de los campos mas importantes para la ingeniería de materiales, puesto que permitirá facilitar el trabajo a prácticamente el resto de las ingenierías.
Autor
Relacionado
¿Qué son los Adoquines? en Ingeniería Civil
¿Qué son las Propiedades no Mecánicas de los Materiales en Ingeniería Civil?
Ladrillos ecológicos: el futuro en la construcción sostenible