TEMA 1.- INTRODUCCIÓN A LOS MATERIALES 1.- CONCEPTOS GENERALES CONSTRUCCIÓN.

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1 TEMA 1.- INTRODUCCIÓN A LOS MATERIALES 1.- CONCEPTOS GENERALES CONSTRUCCIÓN. Construcción es el arte de construir, es decir, realizar con los elementos y maquinaria necesarios, y siguiendo un plan previamente establecido, las obras requeridas para la ejecución de una edificación, una infraestructura (puente, presa, etc), una máquina, etc, empleando los materiales adecuados y las correspondientes normas técnicas según el caso. La parte de la misma que se ocupa del estudio, desarrollo y dirección de obras industriales recibe el nombre de Construcción Industrial. Partiendo de elementos simples como ladrillos, cemento, áridos, vidrio, madera, acero, plásticos, etc, y utilizando combinaciones adecuadas de los mismos, se proyectan otros conjuntos parciales como cimentaciones, muros, pilares, vigas, forjados, etc, que en su totalidad completarán el conjunto final que no será sino el edificio que se pretende construir. Este estudio abarca el conocimiento de los materiales que se utilizan en la realización de los trabajos constructivos llevados a cabo con mayor asiduidad, con el fin de elegir aquellos que por sus características reúnan las mejores condiciones técnicas y económicas. Por otra parte se estudia la disposición de los distintos elementos que integran el conjunto, de acuerdo con el material empleado y las hipótesis de cálculo, para lograr una eficaz resistencia además de una buena armonía en sus formas. A la hora de diseñar una estructura o dispositivo, el ingeniero dispone de una amplia gama de materiales a su disposición (de a 80000), por lo que debe conocer como seleccionar los materiales o combinación de ellos, que mejor se ajusten a las demandas de su diseño o a su propósito, proporcionándole las propiedades que el requiere. Los errores pueden causar desastres. Por tanto, el ingeniero de diseño debe: 1.- Conocer como seleccionar los materiales que mejor se ajusten a las demandas de su diseño (Económicas, estéticas, resistencia, durabilidad, etc.). 2.- Conocer las propiedades y limitaciones de los distintos tipos de materiales y seleccionar aquellos que le proporcionen valores adecuados de las propiedades que el requiere. Para ellos existen ensayos normalizados para su determinación. En la tabla pueden verse las clases de propiedades que el ingeniero de diseño debe considerar a la hora de elegir los materiales. 1

2 Tabla Clases de propiedades de los materiales. 2

3 ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN UN EDIFICIO (Figura 1.1.1) Los distintos elementos que integran una edificación u obra civil pueden clasificarse según la función que realizan en dos grupos diferentes: - Elementos fundamentales o estructurales (resistentes). Acero, rocas, hormigón. etc - Elementos complementarios. Los elementos fundamentales constituyen la estructura resistentes del edificio u obra civil, y su función es absorber y soportar las cargas que actúan sobre el mismo transmitiéndolas al terreno a través de la cimentación. Como integrantes de los mismos se tienen: - Cimentaciones.- Bases de los edificios. - Elementos verticales de sustentación.- Muros, pilares y entramados verticales. - Elementos horizontales de sustentación.- Forjados, vigas y losas de suelo. - Elementos inclinados.- Cubiertas. - Elementos de enlace.- Escaleras. Los elementos complementarios proporcionan al edificio habitabilidad, comodidad, funcionalidad y confort, De entre ellos se pueden destacar: - Cerramientos exteriores de estructuras entramadas. - Tabiques: Elementos de separación no resistentes. - Puertas y ventanas. - Instalaciones: Fontanería, saneamiento, electricidad, ascensores, etc. Se pueden considerar, además de los dos grupos anteriores, una serie de elementos auxiliares que aunque no quedan incorporados al edificio son necesarios para su construcción como los andamios, las cimbras y los apeos. 3

4 Figura ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN UN EDIFICIO 4

5 1.2.- CONCEPTO Y TIPOS DE MATERIALES. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN El concepto de material puede definirse como una porción finita de materia con sus mismas características generales, pero siendo un elemento real con tamaño y dimensiones, pudiendo ser trabajable y transformable para su mejor aprovechamiento. El hecho de tener una determinada composición química y unas características físicas determinadas, con dimensiones finitas y la posibilidad de transformar tanto unas como otras, nos permite la adaptación de los materiales para el uso específico que se le requiere en la obra, mediante distintos procesos de fabricación. Materiales de construcción. Se definen como los cuerpos que integran las obras de construcción, cualquiera que sea su naturaleza, composición y forma. Dentro de los materiales son aquellos que sirven para la realización de una edificación u obra de ingeniería civil. Según la función que desempeñan en la obra se pueden clasificar en materiales fundamentales, materiales conglomerantes y materiales complementarios o auxiliares. Los materiales fundamentales (Acero, hormigón, rocas, etc) sirven para construir las unidades de obra capaces de soportar los esfuerzos mecánicos y las acciones atmosféricas a que va a estar sometida la construcción que se proyecta. Los materiales conglomerantes son aquellos que constituyen la base de los morteros y hormigones, empleándose en construcción para unir o enlazar materiales del grupo anterior, además de constituir los últimos, por sí solos y en combinación con el acero, un material de construcción fundamental por excelencia. Las pastas que con ellos sé consiguen permiten ser extendidas y moldeadas convenientemente para adquirir, después de endurecidas, unas características mecánicas similares a las de los materiales pétreos naturales y artificiales. Los principales conglomerantes empleados en la construcción son el cemento Pórtland, el yeso y la cal. Los materiales complementarios o auxiliares son aquellos que se utilizan dentro de las edificaciones como complementos utilitarios de las mismas. El vidrio, pinturas, aislantes, materiales eléctricos, de fontanería, carpintería de madera, de aluminio, de PVC, etc, constituyen algunos ejemplos. Clasificación de los materiales. Los materiales utilizados en construcción en una primera clasificación se pueden dividir en dos tipos generales atendiendo a su origen (Clasificación genética): naturales y artificiales. Los materiales 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 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. Esta primera gran clasificación, se divide a su vez en dos grupos de acuerdo con la naturaleza del material, pudiendo ser de carácter orgánico o inorgánico. 5

6 Los materiales orgánicos, 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 y como artificial orgánico los plásticos. Los materiales inorgánicos, están formados por yuxtaposición de sus moléculas, y pueden adoptar estructura vítrea o cristalina. Forman parte de este grupo las rocas y minerales utilizados vara la obtención de la mayoría de materiales artificiales. Pertenecientes a este grupo, son los materiales más importantes utilizados en construcción. Como ejemplo de material natural inorgánico, todos los pétreos naturales y como artificial inorgánico: los cerámicos, los aglomerantes, los metales, etc. De lo anteriormente expresado, podemos establecer clasificación de los materiales según como se indica en el cuadro 1.2.1, que si bien no es la única, sí parece la más indicada para el estudio de los materiales de construcción. CUADRO CLASIFICACION DE LOS MATERIALES - PÉTREOS NATURALES: Rocas Cerámicos y vidrios - PÉTREOS ARTIFICIALES: Aglomerantes: Yesos, cales y cementos Aglomerados: Morteros, hormigones, y prefabricados. - METÁLICOS. - ORGÁNICOS NATURALES: Maderas y corchos. - ORGÁNICOS ARTIFICIALES: Resinas y plásticos - BITUMINOSOS. - PINTURAS METODOLOGÍA PARA EL ESTUDIO DE LOS MATERIALES. La correcta utilización de un material en una determinada obra, pasa por analizar si éste es adecuado para la misión que debe cumplir en la misma, para ello debe poseer ciertas características que justifiquen su uso. A lo largo de la historia, el problema se ha resuelto de forma experimental, es decir, en base al conocimiento adquirido según se iba comprobando si el material cumplía o no las exigencias que de él se precisaban en cada caso. Actualmente se ha llegado, tras el conocimiento científico-técnico, a dominar el comportamiento de un determinado material para una cierta aplicación, pudiéndose medir y comprobar si el mismo posee una propiedad en el nivel adecuado exigible en cada parte de la obra, lo que nos conduce a la elección del material más idóneo para cada uso determinado. 6

7 El proceso se basa en el estudio de la reacción que se produce ante cualquier acción del exterior, ya sea mecánica, eléctrica, química, etc. El control de esta reacción nos define y mide las propiedades del material. La reacción dependerá de: - La clase y forma de la acción. - Las características del material. - La forma y dimensiones del mismo. Según estas variables, se pueden realizar diferentes ensayos que nos determinen el nivel o valor que tiene un material de una propiedad concreta, siendo imprescindible normalizar el proceso para poder comparar resultados y establecer niveles de calidad (efectuando diferentes acciones, con diferentes materiales y con distintos tipos de probetas). Para ello, se han establecido una serie de normas que regulan los procedimientos de ensayo, (unificando criterios como las dimensiones de las probetas del material, indicando condiciones de presión, temperatura, etc.), como son las normas UNE española, DIN alemana, ASTM americana, o las recomendaciones de organismos como la RILEM, así como los Pliegos de Características Generales de obligado cumplimiento como el RC-93 sobre cementos o el RY-85 de yesos, así como instrucciones y demás reglamentación. Como resumen, la metodología a seguir para el estudio de los materiales, puede ser la siguiente: - Conocer y valorar las propiedades que queremos exigirles. - Conocer y realizar los ensayos adecuados para obtener la medida que indica el cumplimiento de dichas propiedades. - Adoptar los usos apropiados a los que se puede destinar el material. - Analizar las ventajas e inconvenientes ante otros materiales similares. De acuerdo a los datos que nos aporten dichos estudios, podremos elegir el material más apropiado para cada necesidad. Sin embargo, la utilización de un material en obra, no se realiza únicamente en base a los estudios citados, ya que, los factores que intervienen a la hora de su elección son mucho más complejos, pudiendo agruparse del siguiente modo: - Características técnicas. - Condicionantes económicos. - Condicionantes estéticos. Los dos últimos, limitan la posibilidad de utilizar siempre el material más adecuado para cada caso. No obstante, se utilizarán siempre aquellos que cumplan al menos los niveles mínimos de calidad exigidos por la normativa. Otra cuestión no menos importante a tener en cuenta, es la vida media de una obra (durabilidad), dándose, en ocasiones, desequilibrios de calidad que hacen que dicha obra quede obsoleta antes de tiempo, debido a que no se ha sabido conjugar el nivel de exigencias y el de durabilidad de los materiales que están formando la misma obra y por lo tanto alterándose y envejeciendo en tiempos distintos. 7

8 1.4.- ENSAYOS DE MATERIALES. La elección del material más adecuado, exige el conocimiento previo de sus propiedades técnicas: físicas, químicas y mecánicas. Toda esta información, la ofrecen los ensayos de materiales, realizados generalmente sobre probetas normalizadas y en ocasiones en elementos de la propia obra. Por lo tanto, el fundamento de la realización de un ensayo, será la medida de una determinada propiedad que deseamos exigirle a un material para su utilización. Según el fin que se persiga, se distinguen los siguientes tipos de ensayos: TIPO DE ENSAYOS CUALITATIVO CUANTITATIVO DESTRUCTIVO NO DESTRUCTIVO Los ensayos cualitativos son, normalmente, los destinados a controlar la producción, de forma que satisfagan ciertas normas perfectamente definidas. Deben ser rápidos y simples, a la vez que exactos, fiables y sensibles. Los ensayos cuantitativos son los más utilizados, exigiéndoles una gran precisión y fiabilidad, destinando en su realización mayor cantidad de tiempo que los anteriores. Entre otros, los objetivos de este tipo de ensayos son los siguientes: - Conocer y estudiar las propiedades de un material y la influencia que sobre la mismas ejerce su composición química, los procesos en su fabricación y las transformaciones en su estructura. - Controlar y estudiar el comportamiento de los materiales en servicio. - Ensayar piezas que han fallado en servicio, tratando de hallar sus causas y forma de evitarlas. - Obtener valores de resistencia que sirvan de base al cálculo y elección de los materiales más adecuados para su utilización. Todos estos objetivos se consiguen mediante el uso de ensayos de tipo destructivo y no destructivo basados en los siguientes métodos: Químicos: su finalidad es conocer la composición química del material y su resistencia a los agentes químicos. Se realizan ensayos cualitativos y cuantitativos, siendo en general, no destructivos. Físicos: destinados a conocer las propiedades físicas (densidad, porosidad, propiedades térmicas, eléctricas, etc.), así como observar y medir defectos internos como grietas, coqueras, etc. Para la obtención de estas propiedades, son utilizados tanto los ensayos destructivos como los no destructivos. 8

9 Mecánicos: son en general, destructivos y tienen por objeto: - Determinar las características elásticas y de resistencia, según el comportamiento de probetas normalizadas sometidas a determinados esfuerzos. - Ensayos estáticos (tracción, compresión, flexión...). - Ensayos con tensiones múltiples. - Ensayos de dureza. - Ensayos dinámicos (con cargas bruscas o variables). - Ensayos de duración (fatiga y fluencia). - Ensayos tecnológicos (plegado, doblado, de forjado, de tubos...). - Determinar experimentalmente las tensiones que se desarrollan en materiales o elementos constructivos, cuando se someten a esfuerzos análogos a los que tiene que soportar en servicio. Por este procedimiento, es fácil decidir el diseño más adecuado, el material o sus tratamientos. Como norma general, todo ensayo debe cumplir una serie de condiciones: NORMATIVAS. Confección. - Ser homogéneo. - Las muestras tomadas, deben ser representativas. - De realización técnicamente sencilla. - Fiable y repetitivo. - Que su procedimiento esté perfectamente definido y preferiblemente normalizado. La realización de toda normativa o modificación de la misma, lleva consigo un trabajo de análisis, comparación y experimentación que sigue el siguiente esquema: Comisión técnica: Grupo de trabajo que dirige y controla la confección de la norma. Grupo de trabajo: formado por una comisión de expertos, abierta, donde se plantea el debate intelectual y experimental de lo que se pretende normalizar. Exposición pública: periodo en el cuál se da a conocer el documento y en el que se pueden presentar las alegaciones y modificaciones que se consideren oportunas. Aprobación: trámite por el cuál, la norma es aprobada por el gobierno y publicada en el Boletín Oficial del Estado. Tipos. Dentro de la amplia gama de normativas existentes, podemos hacer una primera clasificación atendiendo a los distintos tipos, según los siguientes criterios: - Las que describen la normalización de los productos. - Las que desarrollan la normalización de la ejecución de los ensayos. Entre otras, cabe destacar las normas UNE, EH, RC, RY, NLT, ASTM, DIN... Las limitaciones y valores que indican las normas, podrán ser o no de obligado cumplimiento. Cuestión ésta que debe quedar explicitada en proyecto. 9

10 Contenido. Toda normativa tiene como finalidad principal dar homogeneidad al tratamiento de los distintos ensayos. Del mismo modo, el contenido de la misma sigue un esquema principal y homogéneo, que podemos resumir del siguiente modo: Objeto: se enuncia la finalidad de la utilización de la norma y el ensayo a realizar. Toma de muestras: la norma especifica cómo, en qué cantidades y qué formas deben tener las muestras del material a ensayar, para que los resultados sean comparables y fiables en cualquier caso y lugar. Aparatos empleados: se describen perfectamente las herramientas, aparatos y demás utillaje utilizado en el ensayo, indicando sus especificaciones, potencia, velocidades de carga, tiempos, etc. Procedimiento operativo: se detalla exhaustivamente cada paso de la realización del ensayo. Obtención de resultados: se expresan las distintas formulaciones, a partir de las cuales se adoptan los valores mínimos de exigencia según el ensayo que se realice, así como su interpretación PRESENTE Y FUTURO DE LOS MATERIALES DE CONTRUCCIÓN. El crecimiento en el consumo de los materiales de construcción está directamente relacionado con el aumento de la población mundial y con el desarrollo de los países (obras de ingeniería civil, infraestructuras, etc.). Se puede pensar que, al menos a corto plazo, el hormigón, el mortero, yeso, ladrillos, piedra natural, el acero, etc seguirán siendo los medios más baratos de construir, y su consumo no cesará de aumentar proporcionalmente al crecimiento de la población y al desarrollo. 10

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