Materiales Estructurales

Introducción

El estudio de una estructura consiste en evaluar la funcionalidad, factibilidad y seguridad. Estos aspectos toman en cuenta entre otras cosas, la forma, detalle, durabilidad, resistencia, costo, disponibilidad y capacidad de la estructura; características que están asociadas al material del cual se va a realizar la obra.

Es por ello que, atendiendo a esa condición, indagaremos sobre las propiedades de los materiales estructurales más utilizados y necesarios para el análisis estructural y los aspectos más generales de estos para la construcción de estructuras de acero, aluminio, concreto armado, madera y mampostería.

Señalaremos su definición, sus ventajas, usos, valores de resistencia, métodos de construcción y aspectos relacionados con la seguridad regida por las actuales regulaciones del país.

La Madera

La madera es un material orgánico natural y de estructura celular la cual posee la capacidad de evocación. Desde la antigüedad el hombre ha trabajado la madera para que sirviera a sus necesidades y, aún en nuestros días, algunos elementos continúan siendo útiles. La madera fue uno de los primeros materiales utilizados por el hombre para construcción de viviendas, herramientas para cazar, fabricación de utensilios, etc. Luego se ha utilizado como material para la construcción de palacios, templos y casas desde el siglo XX a.C. y hasta el siglo XIV d.C.; donde al descubrirse nuevas técnicas y materiales para la construcción, disminuyeron en gran medida el uso de esta. (Cris, 2008) (Arqhys)

Propiedades de la madera

Por su carácter anisótropo sus propiedades tanto físicas como mecánicas dependerán de la dirección del esfuerzo aplicado en relación la dirección de las fibras de esta. Entre las propiedades de la madera como material para construcción podemos mencionar:

• Propiedades físicas: Estas dependerán más por su contenido de humedad y por la dirección de las fibras al momento del corte. Las maderas pueden ser duras y blandas según el árbol del que se obtienen. También se encuentra la densidad, contenido de humedad, contracción y expansión, aislamiento térmico, acústico y eléctrico.
• Propiedades Mecánicas: Las propiedades mecánicas abarcan las posibilidades estructurales de la madera, para ello se debe tomar en cuenta su resistencia, dureza, rigidez y densidad. La madera consta de las siguientes propiedades mecánicas: 1) Alta resistencia a la flexión, Buena capacidad de resistencia a la tracción y a la compresión paralelas a la fibra a excepción en las uniones. 2) Poca resistencia al esfuerzo cortante. 3) Posee poca elasticidad.

La madera ha sido un importante material de construcción durante toda la historia de la humanidad. En las edificaciones hechas de otros materiales, todavía se utiliza la madera como un material prácticamente irreemplazable. Especialmente en la construcción del techo, en el interior como puertas y sus marcos, ventanas, pisos, cielos o muebles y como revestimiento exterior. (Futper, 2011)

Usos de la madera en la construcción

•  Como elemento auxiliar en la construcción: su principal utilización se centra en los encofrados para el vaciado de elementos de hormigón.
• Como elemento estructural: se utiliza en la construcción de paneles, vigas, cerchas y otras estructuras de zinc y aluzinc.
• Como material de revestimiento de pisos y paredes.    
• Ebanistería: confección de gabinetes, muebles, puertas y persianas.
• También como elementos decorativos.

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Ya que como todo ingeniero civil, nuestro trabajo es buscar los métodos y los medios que sean más apropiados para brindar la seguridad en la edificación, por esto tenemos que presentar las ventajas y desventajas de la madera como material de construcción. (Vivir Hogar) (Martinez)

Ventas y desventajas de la madera en la construcción. 

Ventajas

• Buen material aislante del frio y del calor.
• Ya que el material es liviano gracias a su pequeña masa, es un gran material resistente a los movimientos sísmicos.
• Por su bajo peso específico posee alta resistencia mecánica. Además posee alta resistencia a sustancias químicas y puede ser utilizada en ambientes especiales (como por ejemplo, piscinas, cobertizos, etc.); tiene la capacidad de absorber la humedad del aire.
• No se oxida.

 Desventajas

• Es muy combustible.
• Al ser un material orgánico esta expuesto a agentes naturales. (Hongos, insectos).
• Es Higroscópico, es decir que cambia su volumen dependiendo si absorbe o pierde agua.
• Es de fácil deformación.

(Cueva del Civil, 2010)

El Acero

El hierro y sus aleaciones fueron los primeros materiales que se utilizaron industrialmente en la práctica para las estructuras sustentantes. Es relativamente nueva su llegada al campo estructural porque era bastante dificultoso el producir hierro soldable por fusión que limitó su uso durante siglos a los productos de mayor precio y necesidad como las armas y las herramientas agrícolas.

El acero estructural es el material más usado para construcción de estructuras en el mundo. Es básicamente una aleación de hierro (mínimo 98%), con menos del 1% de Carbono y otros elementos como manganeso, con el fin de aumentar su resistencia; fosforo, azufre, sílice y vanadio, para mejorar su propiedad para soldarse y resistencia a la exposición exterior. Es un material usado para la construcción de estructuras de gran resistencia, producido a partir de materiales de abundancia en la naturaleza.

Las aplicaciones comunes del acero estructural en la construcción contienen perfiles estructurales de secciones como: I, H, L, T, y tubulares en forma de cuadrados y círculos, usadas en edificios e instalaciones para industrias, entre otras cosas. (Caminos) (Jimenez)

Propiedades técnicas del hierro

·        Elasticidad: es la propiedad de los cuerpos de recuperar su estado primitivo al cesar la fuerza que los deforma.

·        Ductilidad: Capacidad de los cuerpos para alargarse en sentido longitudinal.

·    Forjabilidad: propiedad de variar de forma los metales en estado sólido caliente mediante acciones mecánicas sin pérdida de su cohesión.

·   Maleabilidad: puede variar su forma en estado sólido a temperatura ambiente mediante acciones mecánicas sin pérdida de su cohesión.

·    Tenacidad: Es la resistencia a la rotura por tracción que tienen los cuerpos debidos a la cohesión de sus moléculas.

·         Soldabilidad: Consiste en unirse dos metales por presión hasta formar un trozo único.

·   Facilidad de corte: Es la propiedad de separarse el metal en pedazos por medio de una herramienta cortante adecuada. 
(Arquhys)

Ventajas y desventajas de las construcciones metálicas

Ventajas

•          Alta resistencia mecánica y disminución de peso propio.
•     Fácil montaje y transporte debido a su ligereza.
•     Rapidez en trabajo.Refuerzos y/o modificación. 
•     Falta de deformaciones diferidas en el acero estructural.
•     Valor de residuo alto como chatarra.
•     Ventajas de la prefabricación.
•    Buena resistencia al choque y solicitud dinámicos como los movimientos.
•     Las estructuras metálicas de edificios ocupan menos espacio en planta.
•     El material es homogéneo y de calidad controlada.

Desventajas

• Mayor coste que las de estructuras de hormigón.
• Sensibilidad ante la corrosión.
• Sensibilidad frente al fuego.
• Inestabilidad.
• Dificultad en la adaptación a formas variadas.
• Excesiva flexibilidad.

Tipos de aceros para estructuras

 Los aceros considerados en el Código Técnico son los laminados en caliente (UNE EN 10025-2:2002, UNE EN 10210-1:1994) y los conformados en frío (UNE EN 10219-1:1998). En el Documento 0 de la Instrucción EAE se ve una mayor variedad al considerar:

·         Aceros recubiertos utilizando alta temperatura (en caliente).

·         Aceros con propiedades especiales:

a)    Aceros Normalizados (N): Alta soldabilidad y alta resiliencia.

b)    Aceros de laminado termo mecánico (M): Alta soldabilidad y alta resiliencia.

c)    Aceros con resistencia tratados contra la corrosión (aceros automatizables) (W).

d)    Aceros templados y revenidos (Q): Elevado límite elástico.

e)    Aceros con resistencia mejorada a la deformación en la dirección perpendicular a la superficie del producto (Z): Mejora el comportamiento frente al desgarro laminar.

·       Aceros conformados en frío (H): Son aquellos aceros que en el proceso de fabricarlos se hace en frio, que les adhiere unas características esenciales para la resistencia mecánica, tomando en cuenta que disminuirá la sección.

Los tipos de acero más comunes son: S235, S275, S355 y S450, siendo sus posibles grados: JR, J0, J2 y K2, donde el número significa el límite elástico en Mpa (N/mm2) y el grado indica la resiliencia exigida.

 

El Aluminio

El aluminio es un elemento químico dúctil, no soluble en agua, y es considerado como  el metal más abundante sobre la corteza de nuestro planeta tierra. Este se ha caracterizado principalmente por  su capacidad de resistir la corrosión y por su baja densidad, hecho que le atribuye en la aplicación de la construcción y otras áreas.

A pesar de que exista una gran cantidad  de este metal  en la naturaleza y haya sido utilizado desde la antigüedad, el aluminio es considerado como un metal realmente joven. Puesto que siempre se ha presentado en combinación de otros elementos, y no de forma pura. Aunque ya en el año 1825, Hans Christian Oersted había conseguido separar una pequeña cantidad de aluminio impuro, no fue hasta 1854 que el químico francés Henri-Etienne Sainte-Claire Deville consiguió desarrollar un proceso para obtener aluminio en cantidades más grandes. Para ese entonces, el aluminio era considerado un metal precioso, pues el kilo se vendía por cientos de dólares y también se usaba para hacer joyería y estatuas.

En el área de la ingeniería civil no fue hasta la década de 1950 cuando se comienza el empleo y utilización del aluminio.

Una de las utilizaciones  destacadas del aluminio ha sido el revestimiento de la  cúpula de la iglesia de San Joaquín en Roma  y el  Empire State Building en New York, inspirado en Art-Deco, este fue el primer edificio en utilizar componentes de aluminio anodizado (proceso de oxidación que se desarrolla en el aluminio) en 1931. (Jover)

Aplicación

Gracias a la baja densidad que este posee  y por su importante propiedad de poder resistir a la corrosión, tiene una gran aplicación en la ingeniería  civil, de los cuales pueden ser observados en puentes, torres, castilletes, pilares, columnas, armazones para techumbre, techados, puertas, ventanas y sus marcos, contramarcos y umbrales, barandillas, prefabricados, chapas, chapas decorativas y antideslizantes para pisos, chapas para recubrimientos en fachadas, barras, perfiles, tubos y similares, de aluminio, en formas de “T”, ángulos, vigas, canales y “Z” preparados para la construcción. (P, 2013)

 

La Mamposteria

La mampostería es la colocación  de bloques de arcilla o concreto unidas con argamasa, mortero, yeso, cal o cemento.  Son  muros, que pueden resistir acciones producidas por las cargas o las acciones de sismo o viento, como los ladrillos que son considerados como uno de los elementos más resistentes, las  piedras muy funcionales en las estructuras y el blocks de cemento que son  una elección económica, resistente, y duradera, que permite el paso de las instalaciones por el interior de los muros.

Desde la antigüedad, el hombre busca la forma más fácil de utilizar  los materiales que no proporcionan la naturaleza. Es posible que la mampostería haya sido realizada  por un nómada, hace unos 15,000 años, cuando, la condiciones de la naturaleza lo ameritaba, decidiendo colocar  piedras para formar un lugar donde guarecerse. El método más utilizado era el mortero de argamasa de la cal. (Alba)

Tipos de mampostería

 ·         Mampostería simple

Es el tipo de mampostería estructural sin refuerzo. En esto muro  predomina el esfuerzo de compresión, de  los cuales deben contrarrestar los esfuerzos de tensión ocasionar fuerzas horizontales. El R-027 prohíbe la construcción de mampostería simple en  lugares de alta posibilidad de sismo porque no garantiza la seguridad.

·         Mampostería Reforzada

Es la mampostería con refuerzo se construye de ladrillo, mortero y barra de acero. El refuerzo se usa para resistir la totalidad de las fuerzas de tensión y ocasionalmente, para resistir los esfuerzos de compresión y cortante que no pueda resistir la mampostería simple.

·         Mampostería confinada

La mampostería con elementos de concreto reforzado de vigas y columnas. La mampostería confinada es la más común y con ella se construyen la mayor parte de domicilio, con la  importancia de  proyectar edificación de bloques  de concreto, fabricados con tecnología adecuada y que permiten obtener buenas resistencias y durabilidad.

·         Mampostería no Reforzada

En este tipo de mampostería no se emplea ningún mortero. Se producen las mayorías de daños y derrumbes en la estructura, tiene  poca utilidad  en las construcciones  por su comportamiento severo, cuando existe un escenario de sismo.

·         Mampostería Ordinaria

           Las piedras deben adaptarse unas a otras, se ejecuta con un mortero de cal o cemento con la  posibilidad  para dejar el menor porcentaje de huecos relleno de mortero.

(Universidad Nacional de Colombia )

Ventajas

 La mampostería reforzada es el sistema estructural más reconocido, más utilizado, más económico en nuestro medio:

-        Tiene una resistente de soportar una fuerza sísmica.

-        Tiene una capacidad de disipar energía.

-        Permite el planteamiento de estructuras.

-        Todos sus componentes son de fácil de conseguir.

(Construdata)

Reglamento de mampostería

El presente reglamento tiene como objetivo regular el diseño y construcciones de edificios de mampostería, con la finalidad de garantizar la estabilidad y seguridades adecuadas al lugar geológico y sísmico. (MOPC)

El Cemento

Se conoce como cemento a un conglomerante hidráulico que, al ser mezclado con agregados y agua, crea una mezcla, plástica que fragua y se endurece al reaccionar con el agua, adquiriendo consistencia pétrea, denominado concreto. (Estefania)

En Grecia y Roma se utilizaron la cal mezclada con arena para hacer mortero en la isla de Creta. Los romanos adaptaron y mejoraron esta técnica para lograr construcciones de gran durabilidad como son el Coliseo Romano y Panteón Roma. Los griegos fueron los primeros en notar de las propiedades cementantes de los depósitos volcánicos al ser mezclados con cal y arena que actualmente conocemos como puzolanas.

En años posteriores pasaría a ser uno de los materiales de construcción más utilizados, dejando huellas importantes. Con el crecimiento tecnológico nacen industrias relacionadas o derivadas del cemento; para controlar mejor su uso y para su empleo más eficiente, se crean industrias del concreto premezclado, de la prefabricación, del pre esfuerzo, tubos, blocks, entre otros. (Cemex)

Usos del cemento

La industria de la construcción no se puede concebir sin el cemento. Su utilidad en ella lo hace irremplazable para muchos trabajos, tales como: Lechadas, Morteros para tabique, block, tabicones, cimentaciones de muros, revestimientos y su gran aplicación, la elaboración del concreto. (Faum Materiales)

Importancia

La enorme importancia del cemento en nuestros días proviene del hecho de que es el material que más se produce en el mundo, con cerca de 1800 millones de toneladas al año.

El crecimiento en el consumo de cemento está directamente relacionado con el aumento de la población mundial y con el desarrollo de los países. Se puede pensar que, al menos a corto plazo, el hormigón y el mortero seguirán siendo los medios más barato de construir, y su consumo no terminara de aumentar proporcionalmente al crecimiento de la población y al desarrollo. (Universidad de Oviedo)

Industrias dominicanas de Cemento

·         Argos

·         Cementos Cibao

·         Cemex Dominicana

·         Domicem

Hormigón Armado

Es una estructura que está formada por hormigón (resultante de la mezcla de  aglomerantes, comúnmente cemento portland, arena, grava, llamados áridos, y agua.) y de una armadura metálica, que consta de hierros redondos, que se coloca donde la estructura, debido a la carga que soporta, está expuesta a esfuerzos de tracción. En cambio, el hormigón por sí solo, sufre esfuerzos de compresión. (Halinco)

 Historia del Hormigón Armado

        Aumentar la resistencia a la flexión del hormigón armado colocando armaduras se le ocurrió a un número limitado de personas en Europa, que la patentaron. William B. Wilkinson en Inglaterra, 1854; Y en Francia, Joseph Luis Lambot, en 1855, François Coignet, en 1861, y Joseph Monier, en 1867.

En 1872 William E. Ward y el Arq. Robert Mook, de Nueva York,  diseñaron una casa que no tenía estructuralmente madera. Ernest Ransome  fue quien desarrolló la idea sobre la construcción del esqueleto de hormigón armado, llevándolo a la práctica en varios edificios de múltiples pisos, antes de levantar en 1902, el primer rascacielos en hormigón armado, el Edificio Ingalls, en el que las paredes actuaban solamente como muros cortina.

Más tarde se asentarían las bases para el diseño del hormigón armado por Matias Koenen, quien propuso que la ley de Hooke se aplique al hormigón armado al igual que el hierro. También advirtió que el coeficiente de dilatación térmica del acero y el hormigón eran casi iguales, lo que garantizaba que no hubiera tensiones entre ambos por efecto de la temperatura, esencial para un material a prueba de fuego como lo era el hormigón.

En los años posteriores sufriría algunos cambios en cuanto a la consistencia y temas relacionados a su teoría. En 1920 aparecen los bloques de hormigón prefabricados para la construcción de varios edificios y ya en 1950, el hormigón se convierte en el material fundamental para los ingenieros. (Perles)

 Hormigón Armado en República Dominicana

             En el año 1907 se introduce a la isla el hormigón armado. Este material llega al país por el puerto de San Pedro de Macorís donde se construyeron almacenes, residencias, edificios institucionales y la iglesia.

En Santo Domingo la primera construcción en hormigón armado estaba frente al parque independencia, en las mercedes esquina 30 de Marzo, ésta ya fue demolida. Ya en 1918 se comienza a usar en forma general por el estado en la construcción no solamente en Santo Domingo, sino en el interior de la isla. A pesar de lo anterior, no es hasta el ciclón San Zenón, en 1930, que se adopta totalmente su uso cuando el estado, después que se destruyeron todas las edificaciones de madera de la ciudad, legislara prohibiendo techar en zinc o cana. (Arqhys )

Usos del Hormigón Armado

 Entre sus usos más habituales se encuentran:

·         Cimientos y pilotes

·         Muros de contención y de cimentación

·         Losas y forjados de soporte de carga

·         Armazones y vigas estructurales

·         Carreteras, caminos y aceras

(Lafarge España)

Comportamiento estructural del Hormigón Armado

Al aplicar cargas el hormigón sufre una deformación al instante que se suma a la existente por contracción de endurecimiento (shrinkage), que no depende de las cargas, ya que es producida por la evaporación del agua. Con el paso del tiempo esta deformación aumenta gradualmente por efecto de la fluencia (creep) que es la deformación diferida a través del tiempo con carga de servicio constante.

Por otra parte el hormigón es un pseudo sólido, es decir, se caracteriza por tener aspecto exterior sólido, pero que en su interior contiene agua y aire, dándole propiedades mecánicas diferentes a la de los sólidos reales. Esto solo significa una cosa, la deformación del hormigón no sólo depende de las tensiones que actúan sobre él, sino además, del tiempo, que a su vez suma otras dos variables, la temperatura y la humedad, haciendo mucho más complejos los resultados de éste, pero aun así más reales. (Perles)

Ventajas del Hormigón Armado

Son numerosas las ventajas que ofrece el uso del hormigón armado como material estructural. A continuación las ventajas más destacadas:

1.    Seguridad contra incendios.

2.    Su carácter monolítico, todos sus elementos están sólidamente unidos entre sí, presentando una elevada estabilidad contra vibraciones y movimientos sísmicos.

3.    Facilidad de construcción y fácil transporte del hierro para las armaduras.

4.    El poco gasto en  su mantenimiento.

(Halinco)

Desventajas del Hormigón Armado

Entre las desventajas que presenta este material, las más destacadas son:

1.    La dificultad de hacer una modificación en el edificio.

2.  La adaptabilidad al logro de formas diversas ha traído deficiencia en su comportamiento sísmico.

3.    Su excesivo peso y volumen.

(Urbina)

Conclusión 

En toda estructura una de las partes esenciales siempre será la buena elección de los materiales que la formarán y le darán las características de diseño necesarias para satisfacer las inquietudes humanas y llevarnos a un nivel de seguridad y confort plenos para el disfrute de quienes hacen uso de dicha estructura.

A través del recorrido por aquellos materiales estructurales usados en la actualidad y necesarios para la práctica de la ingeniería civil, se ha confirmado cuan valiosa es la decisión del uso de cada uno de estos al momento de pensar en cualquier tipo de estructura. Cabe mencionar que, a pesar de todo lo que ya sabíamos, aún nos falta mucho por descubrir e indagar sobre las maravillosas utilidades de estos materiales y el impacto que ocasionarán en un mundo en donde la forma en que construimos cambia constantemente, adaptándose a nuestras necesidades así como nosotros nos adaptamos a las condiciones que nos impone la naturaleza. 

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