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Semana 03

PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES

INTRODUCCION

En lo que corresponde a los materiales, es necesario indicar una gama muy amplia de

aplicaciones en el que hacer diario del hombre. En la selección de materiales con fines de

diseño se requiere conocer muchos factores que deben evaluarse como son la

resistencia, rigidez, ductilidad, peso, resistencia a la corrosión, capacidad de

maquinado, facilidad para trabajarse, soldabilidad, aspecto, costo, y disponibilidad.

RESISTENCIA.- Se define como la capacidad de un elemento de soportara carga, En lo

que corresponden a algunos metales casi siempre lo primero que se indican son la

Resistencia ultima a la tensión, o compresión y la resistencia a la cedencia o fluencia del

material; en la figura “curva esfuerzo deformación unitaria del acero” de un elemento

metálico con carbono a la tracion, se puede apreciar los siguientes partes:

Curva esfuerzo-deformacion unitaria del acero en traccion

LIMITE DE PROPORCIONALIDAD. A la ordenada del punto A, se le conoce por

límite de proporcionalidad, esto es, la máxima tensión que se puede producir durante un

ensayo de tracción simple de modo que la tensión sea función lineal de la

deformación. Cuando se descarga en este límite el material recobra su tamaño.

LIMITE ELÁSTICO. La ordenada de un punto que casi coincide con B se conoce por

límite elástico, esto es, la tensión máxima que puede producirse durante un ensayo de

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tracción simple de modo que no haya deformación permanente o residual cuando se

suprime totalmente la carga. Para muchos materiales son casi idénticos los valores

numéricos del límite elástico y del límite de proporcionalidad, por lo que a veces se

consideran sinónimos. En los casos en que es notoria la diferencia, el límite elástico es

casi siempre mayor que el de proporcionalidad.

ZONA ELASTICA. La región de la curva tensión-deformación que va desde el origen

hasta el límite de proporcionalidad.

ZONA PLASTICA. La región de la curva tensión-deformación que va desde el límite

de proporcionalidad hasta el punto de rotura.

LIMITE ELASTICO APARENTE O DE FLUENCIA. A la ordenada del punto C en

el que se produce un aumento de deformación sin aumento de tensión de lo conoce por

limite elástico aparente o limite de fluencia del material. Cuando la carga ha aumentado

hasta el punto C, se dice que se produce fluencia. Algunos materiales presentan en la

curva tensión-deformación dos puntos en los que hay aumento de deformación sin que

aumente la tensión. Se les conoce por límites de fluencia superior e inferior.

RESISTENCIA A TRACCIÓN. La ordenada del punto D, máxima de la curva, se

llama resistencia a tracción o, a veces, resistencia ultima del material.

RESISTENCIA DE ROTURA. La ordenada del ultimo punto E se llama resistencia de

rotura del material.

MODULO TANGENTE. A la pendiente de la tangente a la curva tensión-deformación

en el origen se la conoce por modulo tangente del material.

RIGIDEZ.-Se refiere a la capacidad de una estructura para resistir cambios de forma

(Al alargamientos, a la flexión, a la torsión o a la deformación lateral)

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M

Modulo de elasticidad de diferentes metales a la tracion

Con frecuencia es necesario determinar cuanto se deformará un objeto bajo una carga,

para asegurar que la deformación excesiva no destruya su utilidad. Esto puede ocurrir a

esfuerzos muy inferiores a la resistencia de fluencia o cedencia del material, en especial

en miembros muy largos o en dispositivos de alta precisión. La rigidez del material es

una función de su modulo de elasticidad, al que a veces se le conoce como modulo de

Young

El modulo de elasticidad E, es una medida de la rigidez de un material, determinado

por la pendiente de al porción recta de la curva de esfuerzo deformación. Es la razón

de cambio de esfuerzo a cambio de la deformación correspondiente.

Por consiguiente, un material con una pendiente más pronunciada en su curva de

esfuerzo-deformación será más rígido y se deformara menos, bajo una carga que un

material que un material que tiene una pendiente menos pronunciada

ndeformacio

esfuerzoE

El diseño de los miembros característicos de carga de maquina y estructuras es tal, que el

esfuerzo queda debajo del limite proporcional; es decir en la recta de la curva de

esfuerzo-deformación en donde se cumple la Ley de Hooke.

DUCTILIDAD

Cuando los metales se rompen, su fractura puede clasificarse como dúctil o frágil, un

material dúctil se estira y cede antes de fracturarse, por lo que se origina una notoria

disminución en el área de la sección transversal, en la sección fracturada. Por otra parte,

un material frágil se fractura de repente con poco o ningún cambio en el área o sección

fracturada.

La ductilidad en los metales se mide generalmente durante la prueba de tensión

observando cuanto se ha alargado permanentemente el material luego de fracturarse.

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Después de que la muestra se somete a tensión hasta fracturarse, las partes fracturadas se

juntan y nuevamente se mide la distancia entre las marcas. Con estos datos, se calculan

el porcentaje de alargamiento, como sigue.

%100arg xiciallongitudIn

icialLongitudInalLongituFinamientoaldePorcentaje

Material dúctil es aquel que puede estirarse, deformarse o encogerse a un grado

significativo antes de fracturarse. Un metal que presenta un porcentaje de

alargamiento mayor del 5% se considera Dúctil.

Ejemplo el acero de bajo contenido en carbono

Material quebradizo es aquel que se fractura de súbito al someterse a carga, con poca

o ninguna deformación plástic.

Ejemplo el vidrio, el concreto, la mampostería, el ladrillo, la madera, hierro fundido,

acero rico en carbono, concreto; una característica de un material frágil es que su

esfuerzo ultimo en compresión tiene mayor magnitud que su esfuerzo ultimo en

tensión.

Todas las formas forjadas de aleaciones de acero y aluminio son dúctiles. Pero las

formas de alta resistencia tienden a tener una menor ductilidad, y el diseñador con

frecuencia se ve obligado a acomodar la resistencia y la ductilidad a la especificación de

un material.

MODOS DE FRACTURA.-En la mayoría de los diseños, un elemento de maquina o

miembro estructural se considera que ha fallado cuando:

1. Se rompe, es decir, el esfuerzo supera a la resistencia última del material.

2. El material se deforma plásticamente, es decir se ve sometido a un esfuerzo

mayor que su resistencia a la fluencia. Se verifica cuando la deflexion del

material es notorio en materiales dúctiles y en el fisuramiento en el caso de

elementos fragiles.

3. Ocurre una deformación elástica excesiva que hace que el miembro ya no sea

adecuado para su uso propuesto. Se verifica cuando la deflexion del material es

excesiva en materiales dúctiles y la rajadura de elentos estructurales en el caso de

elementos fragiles.

RELACION DE METALES, NO METALES Y SUS ALEACIONES

A continuación se hace una relación de las asociaciones industriales que se encargan de

establecer normas para la clasificación de metales y aleaciones, cada uno tiene su propio

sistema de numeración, conveniente para el metal especificado regido por la norma. Para

evitar confusión de la clasificación de materiales se podría decir que existen 02

asociaciones reconocidas que listan materiales en forma coordinada que son:

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1.- La Prácticas Estándar Normativas para la Numeración de Metales y Aleaciones de

nominada en ingles Unified Numbering Systems (UNS) en las que se encuentran:

* Aluminum Association (AA) (asociación del Aluminio)

*American Iron and Steel Institute (AISI) (Instituto Estadounidense del Hierro y

el Acero)

*Copper Development Association (CDA) (Asociación del desarrollo del Cobre)

*Society of Automotriz Engineers (SAE) (Sociedad de Ingenieros Automotrices)

2.- La American Society for Testing and Materials (Sociedad Estadounidense para

Pruebas y Materiales (ASTM)).

1.- METALES

ACERO.-

El termino acero se refiere a la aleaciones de hierro y carbono y en muchos casos

otros elemento. Por la gran cantidad de aceros disponibles, en la presente sección se

clasificaran como aceros al carbono, aceros aleados, aceros inoxidables y aceros

estructurales.

ACEROS AL CARBONO Y ALEADOS-

El carbono tiene un lugar tan prominente en la designación de la aleación,

porque, conforme aumenta el contenido de carbono, también se incrementa la

resistencia y dureza del acero. El contenido de carbono, en términos generales,

varia de un mínimo de 0.1% aproximadamente a 1.0%. Cabe hacerse notar que si

bien la resistencia aumenta al aumentar el contenido de carbono, el acero también

se vuelve más frágil. En general los aceros al carnono ordinario contienen;

Carbomo(C)<1%, Mamganeso(Mn)< 0.9%, Silicio(Si) <0.5%, Fosforo(P) <0.1%,

Azufre(S)< 0.1%.

ACEROS INOXIDABLES.-

Los aceros inoxidables reciben su nombre por su resistencia a la corrosión. El

principal elemento de aleación en los aceros inoxidables es el cromo que esta

presente con un minimo de 10% contenido en masa se puede usar como:

Menaje, fregaderos, sartenes y baterías de cocina, hornos y barbacoas,

equipamiento de jardín y mobiliario.

Paradas de autobús, cabinas telefónicas y resto de mobiliario urbano,

fachadas de edificios, ascensores y escaleras, vagones de metro e

infraestructuras de las estaciones.

Equipamiento para la fabricación de productos alimentarios y

farmacéuticos, plantas para el tratamiento de aguas potables y residuales,

plantas químicas y electroquímicas, componentes para la automoción y

aeronáutica, depósitos de combustible y productos químicos.

ACEROS ESTRUCTURALES.

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Los aceros estructurales se producen en formas de láminas, planchas, barras,

tubos y perfiles estructurales como vigas I, vigas de patines anchos, canales,

ángulos se clasifican de acuerdo al Reglamanto Nacional de Construcciones

como 1.3.1a, 1.3.1.b y 1.3.c sin embargo se ha listado solo las dos primeras por

razones prácticas:

Del cuadro podemos indicar que el acero estrutural ma conocido es el ASTM

A36 el cual tiene un esfuerzo de cedencia o fluencia de 36 ksi, o 36000 lb/plg2 (

248MPA) o 2530 kg/cm2 , tiene un esfuerzo de rotura de 58 ksi es soldable y se

utiliza en la construcccion de trorres de alta tension, eddificios, puentes y en general

toda estructura. Este tipo de acero es el mas conocido en el pais.

En lo que respecta a los aceros para tubos se tiene:

ASTM A-53 GRADO B Tubos para la conducción de fluidos y gases, de

usofrecuente en petroquímica, pesca, minería e industria engeneral.

ASTM A-106 GRADO B Tubos para servicios a altas temperaturas.

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En lo que respecta a las propiedades mecanicas se tiene como valores minimos :

Esf. Fluencia Esf. Rotura % Alargamaianto

Kg/mm2 Kg/mm2 %

ASTM A-53 GR-A 2100 kg/cm2 3400 kg/cm2 23

ASTM A-53 GR-B 2500 kg/cm2 4200 kg/cm2 18

ASTM A-106 GR-B 2500 kg/cm2 4200 kg/cm2 18

Curva esfuezo deformacion –unitaria del acero

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DESIGNACIONES PARA PERFILES DE ACERO Y ALUMINIO

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HIERRO FUNDIDO

Las fundiciones o Hierros fundidos son aleaciones de Hierro - Carbono - Silicio que por

lo general contienen de 2 a 4 % de C, y 0.5 a 3 % de Si.

Entre las atractivas propiedades del hierro fundido se cuenta su bajo costo, buena

resistencia al desgaste, buena maquinabilidad, y su capacidad para vaciarse en formas

complejas. A continuación sus variedades:

Hierro gris.- Se utilizan en bloques de motores automotrices, bases para maquinarias,

tambores de frenos y engranes grandes.

Hierro dúctil.-Se usa para construcción de cigüeñales y engranes sometidos a grandes

cargas.

Hiero dúctil templado.- Se usa para engranes automotrices, cigüeñales y miembros

estructurales para equipos de construcción y transporte, sustituyendo a los aceros

templados.

Hierro maleable.- Se utiliza en piezas de automóviles y camiones, maquinaria de

construcción y equipo eléctrico

ALUMINIO

Las aleaciones de aluminio se diseñan con el objeto de que adquieran propiedades

óptimas par usos específicos. Algunas se producen primeramente como laminas,

planchas, barras o alambres. Con frecuencia, los perfiles estructurales estándar y las

secciones especiales son extruidas. Se usa en puertas, cerraduras, ventanas, pantallas,

boquillas y canales de desagüe. El aluminio es también uno de los productos más

importantes en la construcción industrial. Muchos aviones comerciales y militares

están hechos casi en su totalidad de aluminio. En los automóviles, el aluminio aparece

en interiores y exteriores como molduras, parrillas, llantas, acondicionadores de aire,

transmisiones automáticas y algunos radiadores, bloques de motor y paneles de

carrocería. Se encuentra también en carrocerías, transporte rápido sobre rieles, ruedas

formadas para camiones, vagones, contenedores de carga y señales de carretera, división

de carriles y alumbrado. En la industria aeroespacial, el aluminio también se encuentra

en motores de aeroplanos, estructuras, cubiertas y trenes de aterrizaje e interiores; a

menudo cerca de 80% del peso del avión es de aluminio. La industria de empaques para

alimentos es un mercado en crecimiento rápido.

COBRE, LATON Y BRONCE

El termino cobre se utiliza adecuadamente para denotar al metal virtualmente puro con

un 99% o mas de cobre. Se utiliza principalmente como conductor eléctrico, piezas de

interruptores y piezas de motores que conducen corriente eléctrica. El cobre y sus

aleaciones tienen buena resistencia a la corrosión, son fáciles de fabricar y tienen un

aspecto agradable. Las principales aleaciones del cobre son el cobre al berilio, los latones

y los bronces.

El cobre al berilio La adición de un 2% de berilio al cobre forma una aleación no

magnética seis veces más fuerte que el cobre. Estas aleaciones berilio-cobre tienen

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numerosas aplicaciones en la industria de herramientas ya que no producen chispas, en

las partes móviles críticas de así como en componentes clave de instrumentos de

precisión, computadoras mecánicas, reveladores eléctricos y obturadores de cámaras

fotográficas. Martillos, llaves y otras herramientas de berilio-cobre se emplean en

refinerías petroleras y otras plantas en las cuales una chispa producida por piezas de

acero puede ocasionar una explosión o un incendio.

Los latones son aleaciones de cobre y zinc, se usa en radiadores de automotrices, bases

de lámparas, herrajes marinos y muebles para el hogar.

Bronce es toda aleación metálica de cobre y estaño en la que el primero constituye su

base y el segundo aparece en una proporción del 3 al 20 por ciento; al ser aleados con

otros materiales se obtienen: El bronce al fósforo, bronce al aluminio y el bronce al

silicio. Su alta resistencia intrínseca y a la corrosión los hace útiles para aplicaciones

marítimas, tornillos, engranes, recipientes a presión, resortes.

2.-NO METALES

1. MADERA

Las especies de la madera nos dan sus propiedades, puesto que clases distintas de

árboles producen maderas más duras o más blandas, más fuerte o débil. Incluso en

las mismas especies ocurre variabilidad debido a las mismas condiciones de

crecimiento, tales como las diferencias del suelo y la cantidad de sol y lluvia.

A continuación se da algunos datos de maderas. La resistencia de la madera depende

de si la carga se aplica perpendicular o paralela al grano.

Otra importante variable que afecta la resistencia de la madera es el contenido de

humedad

1. la compresión como columna sentido de la fibra o paralelo a la veta

Pino Oregon

f´c= 110 kg/cm2

E = 95,000kg/cm2

Tornillo

f´c= 80 kg/cm2

E = 55,000kg/cm2

2.- CONCRETO

Los componentes del concreto son el cemento el agregado y el agua. El concreto se

clasifica según su resistencia a la compresión (rotura) que varía desde 140 kg/cm2

hasta 1000 kg/cm2 o 2,000lb/in2 hasta 12,000lb/in2 la resistencia a la tensión del

concreto se considera como 10% de la resistencia la compresión.

Con frecuencia se utiliza la resistencia a los 28 días para determinar su resistencia

nominal.

El peso específico del concreto simple es 2300 kg/m3 (150 lb/pie3)

El peso específico del concreto armado con acero es 2400 kg/m3

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El modulo de elasticidad depende de la resistencia a la compresión y el peso

específico y según el American Concrete Institute, puede calcularse como:

5.1)145

)(000,000'1'000,40(

cfEC

Donde:

E c = Modulo de elasticidad a compresión del concreto en psi

Peso especifico, lb/pie3

f¨c= Resistencia a la compresión nominal del concreto, psi.

Ejemplo:

Para un f’c= 3000lb/in2 y 3/145 pielbs , se obtiene un:

2/2.3 inlbsEc

En el país el modulo de la elasticidad del concreto en Kg/cm2se define de la

siguiente manera

cfE ´000,15

Donde:

E = Modulo de elasticidad en kg/cm2

f’c= Resistencia nominal a la compresión en kg/cm2

Ejemplo Par un f’c= 210 kg/cm2 se obtiene:

2/17.3 5 cmkgEE

3.-PLÁSTICOS Y MATERIALES COMPUESTOS.

Los plásticos se componen de moléculas de cadena larga llamadas polímeros, y son

materiales orgánicos sintéticos que pueden formularse y procesarse literalmente en

miles de formas,muchos tipos de plásticos se usan con fines estructurales debido a su

bajo peso, resistencia a la corrosión y buenas propiedades aislantes eléctricas. Sus

propiedades mecánicas varían de manera considerable; algunos son frágiles y otras

son dúctiles cada vez se va notando que se esta remplazando el acero por el plástico

(entre los que tenemos el nylon y el policloruro de vinilo); se caracterizan por una

relación resistencia/densidad alta, unas propiedades excelentes para el aislamiento

térmico y eléctrico y una buena resistencia a los ácidos, álcalis y disolventes. Se

utiliza en las tuberías de plástico por donde corre el agua y las aguas residuales, las

ventanas de plástico para asegurar que no se escape el calor ni el frío y que no entre

el ruido. El revestimento plástico de los suelos (que puede tener en su propia

cocina), la espuma fabricada a base de plástico como aislante de la casa y por

supuesto, para muchas otras aplicaciones; los plásticos se utilizan en la pintura. Los

materiales compuestos se usan ampliamente en aeronaves, botes, cohetes y

vehículos espaciales, donde se requiere alta resistencia y poco peso.

FACTOR DE SEGURIDAD, ESFUERZOS PERMISIBLES

ESFUERZOS NORMALES DE DISEÑO

La determinación de esfuerzos no tendría sentido alguno si no fuera por el hecho de que

el ensayo físico de los materiales en el laboratorio proporciona información relativa a la

resistencia de un material al esfuerzo. En un laboratorio se preparan cuidadosamente

muestras o probetas con las dimensiones deseadas de material, procesos de manufactura

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y tratamiento térmico conocidos. Luego estos especimenes se someten a fuerzas

conocidas sucesivamente crecientes. El tipo de ensayo utilizado más ampliamente, una

barra redonda se somete a tensión y se carga hasta que finalmente se rompe. La fuerza

necesaria para causar la ruptura se denomina carga última. Dividiendo esta carga

última entre el área de la sección transversal original de la probeta se obtiene la

resistencia última (o esfuerzo último) de un material.

Para efectuar el diseño de elementos, el valor de esfuerzos denominado esfuerzos

permisibles se fija considerablemente mas bajo que la resistencia ultima determinada

mediante ensayo “estático” mencionado.

El esfuerzo de diseño es aquel nivel de esfuerzo que puede desarrollarse en un

material, al tiempo que se asegura que el miembro que soporta la carga sea seguro.

Para calcular el esfuerzo de diseño, deben especificarse dos factores:

- El factor de diseño N.

- La propiedad en la que se basara el diseño. Por lo general , en el caso de metales

el esfuerzo de diseño se basa en la resistencia a la fluencia o cedencia Sy ó en la

resistencia ultima uS del material

El factor de diseño N es el numero entre el que se divide la resistencia última o

fluencia registrada del material para obtener el esfuerzo de diseño d .

Para calcular el esfuerzo de diseño pueden utilizarse las siguientes ecuaciones para cierto

valor de N

N

Syd Cuando se utiliza la resistencia a la cedencia (fluencia) ejemplo el acero.

N

Sud Cuando se utiliza la resistencia última ejemplo la madera, concreto.

FACTORES DE DISEÑO

El valor del factor de diseño será distinto, según la resistencia del material que se utilice

como criterio para el diseño se tiene:

A.-Tipo de material (referido a su ductilidad, % alargamiento; >5% entonces dúctil,

esfuerzos residuales como producto del enfriamiento después de una fundición, o de un

proceso de laminado, graneado y martillado; flujo plástico con el tiempo este puede

causar deformaciones de gran magnitud que serian intolerables).

B.- Forma de la carga

Estática (Permanecen aplicados o se aplica o elimina lenta y gradualmente).

Repetidas (Se aplican miles de veces, se produce fatiga, rieles de tren).

Impacto o golpe (choque de elementos, explosión).

C.-Posible mal uso del objeto (se diseño por un fin y se le da otro).

D.-Complejidad del análisis de esfuerzo (cuanto más complejo la forma, más difícil

diseñar)

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E.-Medio ambiente. (Considerar la temperatura, humedad, aspecto corrosivo).

F.-Control de calidad (referido a la construcción del objeto cuidadosamente).

G.-Riesgos que se presentan por una falla (si ha de proteger personas factor más

elevado).

H.-Costos. (Es un factor determínate en el rediseño del elemento).

I.- Esfuerzos internos. Denominados esfuerzos residuales o remanentes

ALGUNOS CRITERIOS PARA LA DETERMINACIÓN DEL FACTOR DE

DISEÑO.

Dentro de los criterios de diseño se toman como base la experiencia del diseño

anterior, peropara una persona que recién empieza a efectura diseños a continuación se

dan algunos factores de diseño promedio con las que se pueden iniciar. Los modos de

falla y por consiguientes métodos para calcular esfuerzos de diseño pueden clasificarse

según el tipo de material y la forma de la carga. Los materiales dúctiles que tienen más

del 5% del alargamiento, presentan modos de falla ligeramente distintos a los

quebradizos. Las cargas estáticas, cargas repetidas y cargas de choque producen modos

distintos de falla

CRITERIOS PARA LA DETERMINACION DEL FATOR DE DISEÑO (N )

Forma de la carga Material dúctil Material quebradizo o fragil

Estática 2 6

Repetida 8 10

De impacto o de choque 12 15

ESFUERZOS DE DISEÑO DE CODIGOS SELECTOS (cargas estáticas en

estructuras de construcción.-

A continuación se resume las especificaciones para esfuerzos de diseño definidos por el

American Institute of steel Construcción (AISC) para acero estructural, y para la

Aluminum Association (AA)

Acero estructural (AISC)

N =1.67 o 2.0 el que sea menor SySy

d 60.067.1

, SuSu

d 5.00.2

Aluminio (Aluminum Association)

N = 1.65 o 1.95 el que sea menor 061.065.1

SySy

d , SuSu

d 51.095.1

DISEÑO POR ESFUERZO CORTANTE

Cuando los miembros trabajan a esfuerzo cortante, el diseño debe basarse en el diseño

por esfuerzo cortante

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N

Sysd Con respecto a la resistencia a la fluencia a cortante

Donde:

2

SySys , Estimación de la resistencia a la fluencia a cortante.( valor conservador)

RESISTENCIA A LA FLUENCIA A CORTANTE

La resistencia a la fluencia o cortante Sys, es el nivel de esfuerzo cortante al que el

material presentaría el fenómeno de fluencia. Es decir, sufriría una significativa cantidad

de deformación por cortante, con poco o ningún aumento en la carga tipo cortante

aplicada

RESITENCIA ÚLTIMA A CORTANTE

La resistencia ultima a cortante, Sus , es el nivel de esfuerzo cortante al que el material

se fractura.

Criterios de esfuerzo de diseño para la determinación de la fuerza cortante

Forma de carga Diseño por esfuerzo materiales dúctiles

NSysd 2

Estática N = 2 4Syd

Repetida N = 4 8Syd

Impacto N = 6 12Syd

MATERIALES QUEBRADIZOS

El diseño por esfuerzos cortantes para materiales quebradizos debe basarse en la

resistencia última a cortante puesto que no presenta fluencia,

Estimación para la resistencia ultima a cortante

Formula material

uus SS 65.0 Aleación de aluminio.

uus SS 82.0 Acero.

uus SS 90.0 Hierro maleable y aleaciones de cobre.

POR OTRA PARTE TENEMOS LOS SIGUIENTES CONCEPTOS

Análisis.- En mecánica racional II se conoce como el hecho de determinar la respuesta

(fuerzas, esfuerzos, deformaciones unitarias y deformaciones producidas por las cargas)

de una estructura a cargas, cambios de temperatura y otras acciones físicas.

Se dice que una estructura es conocida cuando conocemos todas sus propiedades,

descripción física completa (tipos de soportes y su ubicación ,dimensiones de sus

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miembros, los materiales usados.) entonces , al analizar una estructura, las propiedades

están dadas y hay que hallar la respuesta..

Diseño.- Es el proceso inverso del análisis; al diseñar debemos determinar las

propiedades de la estructura (dimensiones) para que soporte las cargas y realice las

funciones previstas; ejemplo diseñar es determinar el tamaño de un elemento.

Estabilidad.- La capacidad de la estructura de para resistir pandeo bajo fuerzas de

compresión.

Optimización.- Consiste en diseñar la mejor estructura para satisfacer un objetivo

especifico, como el peso mínimo; ejemplo puede haber muchas estructuras que soporten

una carga dada, pero en ciertas circunstancias, la mejor será aquélla que tiene el peso

mínimo. Por su puesto, un objetivo como el peso mínimo debe equilibrarse con

condiciones mas generales, como los aspectos estéticos, económico, ambiental, político y

técnico del proyecto de diseño.

Recocido.- El proceso de calentar un material a una alta temperatura y luego enfriarlo de

una manera controlado se llama recocido. El recocido afecta de manera sustancial las

propiedades mecánicas de un material.

Fragilidad.- se dice que un material es frágil o quebradizo cuando se rompe o se fractura

antes de presentar una deformación plástica significativa. Ejemplo la tiza, ladrillo,

concreto, y las piedras.

Plastodeformación.- Se refiere a un aumento gradual en la deformación causado por

esfuerzos aplicados de manera constante. Es un ejemplo del comportamiento

viscoelástico y ocurre en los metales a elevadas temperatura.

Elasticidad.- Es un modelo del comportamiento de los materiales y se basa en la

presunción de que el esfuerzo es una función univoca de la deformación. Si se asume que

el esfuerzo es una función lineal de la deformación, el modelo se denomina linealmente

elástico. De lo contrario se llama elástico no lineal.

Plasticidad.- Es un modelo del comportamiento de los materiales con base en la

presunción de que existe un esfuerzo de fluencia y que se puede desarrollar una

deformación plástica o permanente cuando se alcanza el esfuerzo de fluencia. La

relación entre el esfuerzo y la deformación plástica se denomina regla de flujo:

Cargas muertas de una estructura consiste en el peso de la estructura.

Cargas vivas.- Son las cargas no muertas o que están asociados con el pretendido uso

del área, las cargas típicas vivas son las personas los equipos movilbles, ecritorios,

vehiculos, la presión hidrostática, la presión de la tierra etc.

Cargas de viento.- Se deven a la accion del viento.

Cargas de nieve.- Se deben a la nieve.

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Cargas de sismos.- Se deben entre otros motivos a la influencia de los movimientos

relativos que produce el suelo al deplasarse uno con respecto al otro.

Cargas de temperatura.- Se deven a los cambios de temperatura.

La incertidumbre acerca de las cargas y de las propiedades de los materiales se suele

tomar en cuenta utilizando factores de seguridad en el diseño de una estructura.

Las dos principales filosofías de diseño utilizados en la ingeniería estructural son:

1.- El diseño por esfuerzos de trabajo o diseño elástico o por cargas de servicio

(acero y madera, concreto).

El diseño elástico parte de la hipótesis que es `posible predecir la distribución de

esfuerzos del material, al ser sometido a esfuerzos de servicio. Asume un

comportamiento en el rango elástico en el material o los materiales. El diseño consiste en

conseguir que los esfuerzos no excedan los esfuerzos admisibles, que son una fracción

del esfuerzo de fluencia o del esfuerzo último. . En un diseño de acero, por ejemplo, se

requiere generalmente que los esfuerzos debidos a la flexión sean menores a dos tercios

del esfuerzo de fluencia del acero. Se aplica el factor de seguridad al esfuerzo.

2.- El diseño por Resistencia Última o a la rotura (concreto).

En lo que se refiere al concreto se utiliza dos tipos de diseño el diseño elástico y el de la

rotura.

El diseño elástico en CºAº parte de la hipótesis que es posible predecir la distribución de

esfuerzos en el refuerzo y el concreto, al ser sometidos a cargas de servicio. Asume un

comportamiento elástico de ambos materiales. En la actualidad pruebas de laboratorio

han permitido comprobar que el complejo comportamiento del concreto con el paso del

tiempo conlleva a una constante redistribución de esfuerzos entre este y el acero. En el

diseño elástico solo se considera una de estas distribuciones. Con el tiempo las

condiciones no consideradas pueden ocasionar la falla. El método elástico tampoco

determina la carga que ocasiona la rotura de la pieza y por ello su factor de seguridad no

es conocido.

El diseño por rotura se fundamenta en la preedición de la carga que ocasiona la falla del

elemento en estudio y analiza el modo de colapso del mismo. Este método toma en

consideración el comportamiento inelástico del acero y el concreto por tanto, se estima

mejor la capacidad del elemento.

En un diseño por Resistencia Ultima, se dimensionan los miembros de tal forma

que los esfuerzos alcancen el nivel último de carga bajo un nivel factorizado de la carga.

Una carga típica utilizada en un diseño de concreto reforzada es

nnn RQQQ .......2211

Donde:

: Factor de amplificación de carga

:Q Carga

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: Factor de Reducción de resistencia.

:NR Resistencia Nominal o teórica del elemento.

Algunos factores de carga son:

LLDLltimoadeDiseñoUC 7.14.1arg (Norma Extranjera)

Carga de diseño ultimo = 1.5 DL+1.8LL (Norma Peruana)

Donde:

DL = carga muerta

LL = carga viva

Algunos factores de resistencia son:

Flexión y tracción pura : 0.90

Corte y torsión : 0.85

Se aplican los factores de seguridad a las cargas.

Posteriormente al diseño de la estructura, el código ACI propone una verificación de las

condiciones de servicio de los elementos: Control de las rajaduras y control de

deflexiones. En caso de ser necesario, el diseño original debe replantearse.

3.-Un tercer método de diseño, que ha sido adoptado en forma gradual, es el

método de diseño por factores de carga y resistencia (LRFD).

En este procedimiento se aplican los factores de seguridad a la resistencia (capacidad) R

y a la carga P. El criterio del diseño es:

PR

Donde:

sitenciaFactordeRe1

aFactordeCarg1

El método LRFD permite que el diseñador adapte un diseño mas preciso para la

ubicación de la estructura y para el material utilizado en su construcción.

Algunos factores de carga

DltimoadeDiseñoUC 4.1arg

)´(5.06.12.1arg óRóSLLDltimoadeDiseñoUC r

D= carga Muerta debido al peso.

L= Carga viva debido al mobiliario y ocupantes.