1

TEMA 1.- INTRODUCCIN A LOS MATERIALES 1.- CONCEPTOS GENERALES. 1.1.-CONSTRUCCIN. Construccin 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 ejecucin de una edificacin, una infraestructura (puente, presa, etc), una mquina, etc, empleando los materiales adecuados y las correspondientes normas tcnicas segn el caso. La parte de la misma que se ocupa del estudio, desarrollo y direccin de obras industriales recibe el nombre de Construccin Industrial. Partiendo de elementos simples como ladrillos, cemento, ridos, vidrio, madera, acero, plsticos, etc, y utilizando combinaciones adecuadas de los mismos, se proyectan otros conjuntos parciales como cimentaciones, muros, pilares, vigas, forjados, etc, que en su totalidad completarn el conjunto final que no ser sino el edificio que se pretende construir. Este estudio abarca el conocimiento de los materiales que se utilizan en la realizacin de los trabajos constructivos llevados a cabo con mayor asiduidad, con el fin de elegir aquellos que por sus caractersticas renan las mejores condiciones tcnicas y econmicas. Por otra parte se estudia la disposicin de los distintos elementos que integran el conjunto, de acuerdo con el material empleado y las hiptesis de clculo, para lograr una eficaz resistencia adems de una buena armona en sus formas. A la hora de disear una estructura o dispositivo, el ingeniero dispone de una amplia gama de materiales a su disposicin (de 40000 a 80000), por lo que debe conocer como seleccionar los materiales o combinacin de ellos, que mejor se ajusten a las demandas de su diseo o a su propsito, proporcionndole las propiedades que el requiere. Los errores pueden causar desastres. Por tanto, el ingeniero de diseo debe: 1.- Conocer como seleccionar los materiales que mejor se ajusten a las demandas de su diseo

(Econmicas, estticas, 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 determinacin.

En la tabla 1.1.1 pueden verse las clases de propiedades que el ingeniero de diseo debe considerar a la hora de elegir los materiales.

2

Tabla 1.1.1.- Clases de propiedades de los materiales.

3

ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN UN EDIFICIO (Figura 1.1.1) Los distintos elementos que integran una edificacin u obra civil pueden clasificarse segn la funcin que realizan en dos grupos diferentes:

- Elementos fundamentales o estructurales (resistentes). Acero, rocas, hormign. etc

- Elementos complementarios.

Los elementos fundamentales constituyen la estructura resistentes del edificio u obra civil, y su funcin es absorber y soportar las cargas que actan sobre el mismo transmitindolas al terreno a travs de la cimentacin. Como integrantes de los mismos se tienen:

- Cimentaciones.- Bases de los edificios. - Elementos verticales de sustentacin.- Muros, pilares y entramados verticales. - Elementos horizontales de sustentacin.- 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 separacin no resistentes. - Puertas y ventanas. - Instalaciones: Fontanera, saneamiento, electricidad, ascensores, etc.

Se pueden considerar, adems de los dos grupos anteriores, una serie de elementos auxiliares que aunque no quedan incorporados al edificio son necesarios para su construccin como los andamios, las cimbras y los apeos.

4

Figura 1.1.1.- ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN UN EDIFICIO

5

1.2.- CONCEPTO Y TIPOS DE MATERIALES. MATERIALES DE CONSTRUCCIN El concepto de material puede definirse como una porcin finita de materia con sus mismas caractersticas generales, pero siendo un elemento real con tamao y dimensiones, pudiendo ser trabajable y transformable para su mejor aprovechamiento. El hecho de tener una determinada composicin qumica y unas caractersticas fsicas determinadas, con dimensiones finitas y la posibilidad de transformar tanto unas como otras, nos permite la adaptacin de los materiales para el uso especfico que se le requiere en la obra, mediante distintos procesos de fabricacin. Materiales de construccin. Se definen como los cuerpos que integran las obras de construccin, cualquiera que sea su naturaleza, composicin y forma. Dentro de los materiales son aquellos que sirven para la realizacin de una edificacin u obra de ingeniera civil. Segn la funcin que desempean en la obra se pueden clasificar en materiales fundamentales, materiales conglomerantes y materiales complementarios o auxiliares. Los materiales fundamentales (Acero, hormign, rocas, etc) sirven para construir las unidades de obra capaces de soportar los esfuerzos mecnicos y las acciones atmosfricas a que va a estar sometida la construccin que se proyecta. Los materiales conglomerantes son aquellos que constituyen la base de los morteros y hormigones, emplendose en construccin para unir o enlazar materiales del grupo anterior, adems de constituir los ltimos, por s solos y en combinacin con el acero, un material de construccin fundamental por excelencia. Las pastas que con ellos s consiguen permiten ser extendidas y moldeadas convenientemente para adquirir, despus de endurecidas, unas caractersticas mecnicas similares a las de los materiales ptreos naturales y artificiales. Los principales conglomerantes empleados en la construccin son el cemento Prtland, 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 elctricos, de fontanera, carpintera de madera, de aluminio, de PVC, etc, constituyen algunos ejemplos. Clasificacin de los materiales. Los materiales utilizados en construccin en una primera clasificacin se pueden dividir en dos tipos generales atendiendo a su origen (Clasificacin gentica): naturales y artificiales. Los materiales naturales, son aquellos que pueden ser empleados tal como se hallan en la naturaleza, labrndolos para darles la forma y dimensiones adecuadas, pero sin realizar en ellos transformacin fsico-qumica alguna. Los materiales artificiales, son aquellos que, tras un proceso de elaboracin y transformacin de su composicin, adquieren las caractersticas apropiadas a su uso. Se utilizan como materias primas para su obtencin los materiales naturales, que modificados a base de los distintos procesos de fabricacin, dan como resultado el material artificial. Esta primera gran clasificacin, se divide a su vez en dos grupos de acuerdo con la naturaleza del material, pudiendo ser de carcter orgnico o inorgnico.

6

Los materiales orgnicos, proceden de animales o vegetales, crecen y mueren de acuerdo a las leyes biolgicas, con una forma propia definida, reproducindose y siendo perecederos, por lo que son necesarios tratamientos que impidan su alteracin. Como ejemplo de material natural orgnico, tenemos las maderas y como artificial orgnico los plsticos. Los materiales inorgnicos, estn formados por yuxtaposicin de sus molculas, y pueden adoptar estructura vtrea o cristalina. Forman parte de este grupo las rocas y minerales utilizados vara la obtencin de la mayora de materiales artificiales. Pertenecientes a este grupo, son los materiales ms importantes utilizados en construccin. Como ejemplo de material natural inorgnico, todos los ptreos naturales y como artificial inorgnico: los cermicos, los aglomerantes, los metales, etc. De lo anteriormente expresado, podemos establecer clasificacin de los materiales segn como se indica en el cuadro 1.2.1, que si bien no es la nica, s parece la ms indicada para el estudio de los materiales de construccin. CUADRO 1.2.1.- CLASIFICACION DE LOS MATERIALES

- PTREOS NATURALES: Rocas

Cermicos y vidrios

- PTREOS ARTIFICIALES: Aglomerantes: Yesos, cales y cementos

Aglomerados: Morteros, hormigones, y prefabricados.

- METLICOS.

- ORGNICOS NATURALES: Maderas y corchos.

- ORGNICOS ARTIFICIALES: Resinas y plsticos

- BITUMINOSOS.

- PINTURAS. 1.3.- METODOLOGA PARA EL ESTUDIO DE LOS MATERIALES. La correcta utilizacin de un material en una determinada obra, pasa por analizar si ste es adecuado para la misin que debe cumplir en la misma, para ello debe poseer ciertas caractersticas 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 segn se iba comprobando si el material cumpla o no las exigencias que de l se precisaban en cada caso. Actualmente se ha llegado, tras el conocimiento cientfico-tcnico, a dominar el comportamiento de un determinado material para una cierta aplicacin, pudindose 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 eleccin del material ms idneo para cada uso determinado.

7

El proceso se basa en el estudio de la reaccin que se produce ante cualquier accin del exterior, ya sea mecnica, elctrica, qumica, etc. El control de esta reaccin nos define y mide las propiedades del material. La reaccin depender de:

- La clase y forma de la accin. - Las caractersticas del material. - La forma y dimensiones del mismo.

Segn 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 presin, temperatura, etc.), como son las normas UNE espaola, DIN alemana, ASTM americana, o las recomendaciones de organismos como la RILEM, as como los Pliegos de Caractersticas Generales de obligado cumplimiento como el RC-93 sobre cementos o el RY-85 de yesos, as como instrucciones y dems reglamentacin. Como resumen, la metodologa 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 ms apropiado para cada necesidad. Sin embargo, la utilizacin de un material en obra, no se realiza nicamente en base a los estudios citados, ya que, los factores que intervienen a la hora de su eleccin son mucho ms complejos, pudiendo agruparse del siguiente modo:

- Caractersticas tcnicas. - Condicionantes econmicos. - Condicionantes estticos.

Los dos ltimos, limitan la posibilidad de utilizar siempre el material ms adecuado para cada caso. No obstante, se utilizarn siempre aquellos que cumplan al menos los niveles mnimos de calidad exigidos por la normativa. Otra cuestin no menos importante a tener en cuenta, es la vida media de una obra (durabilidad), dndose, 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 estn formando la misma obra y por lo tanto alterndose y envejeciendo en tiempos distintos.

8

1.4.- ENSAYOS DE MATERIALES. La eleccin del material ms adecuado, exige el conocimiento previo de sus propiedades tcnicas: fsicas, qumicas y mecnicas. Toda esta informacin, 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 realizacin de un ensayo, ser la medida de una determinada propiedad que deseamos exigirle a un material para su utilizacin. Segn el fin que se persiga, se distinguen los siguientes tipos de ensayos: CUALITATIVO CUANTITATIVO TIPO DE ENSAYOS DESTRUCTIVO NO DESTRUCTIVO Los ensayos cualitativos son, normalmente, los destinados a controlar la produccin, de forma que satisfagan ciertas normas perfectamente definidas. Deben ser rpidos y simples, a la vez que exactos, fiables y sensibles. Los ensayos cuantitativos son los ms utilizados, exigindoles una gran precisin y fiabilidad, destinando en su realizacin 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 composicin qumica, los procesos en su fabricacin 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 clculo y eleccin de los materiales ms adecuados para su utilizacin. Todos estos objetivos se consiguen mediante el uso de ensayos de tipo destructivo y no destructivo basados en los siguientes mtodos: Qumicos: su finalidad es conocer la composicin qumica del material y su resistencia a los agentes

qumicos. Se realizan ensayos cualitativos y cuantitativos, siendo en general, no destructivos. Fsicos: destinados a conocer las propiedades fsicas (densidad, porosidad, propiedades trmicas,

elctricas, etc.), as como observar y medir defectos internos como grietas, coqueras, etc. Para la obtencin de estas propiedades, son utilizados tanto los ensayos destructivos como los no destructivos.

9

Mecnicos: son en general, destructivos y tienen por objeto: - Determinar las caractersticas elsticas y de resistencia, segn el comportamiento de probetas normalizadas sometidas a determinados esfuerzos.

- Ensayos estticos (traccin, compresin, flexin...). - Ensayos con tensiones mltiples. - Ensayos de dureza. - Ensayos dinmicos (con cargas bruscas o variables). - Ensayos de duracin (fatiga y fluencia). - Ensayos tecnolgicos (plegado, doblado, de forjado, de tubos...).

- Determinar experimentalmente las tensiones que se desarrollan en materiales o elementos constructivos, cuando se someten a esfuerzos anlogos a los que tiene que soportar en servicio. Por este procedimiento, es fcil decidir el diseo ms adecuado, el material o sus tratamientos. Como norma general, todo ensayo debe cumplir una serie de condiciones:

- Ser homogneo. - Las muestras tomadas, deben ser representativas. - De realizacin tcnicamente sencilla. - Fiable y repetitivo. - Que su procedimiento est perfectamente definido y preferiblemente normalizado.

1.5.- NORMATIVAS. Confeccin. La realizacin de toda normativa o modificacin de la misma, lleva consigo un trabajo de anlisis, comparacin y experimentacin que sigue el siguiente esquema: Comisin tcnica: Grupo de trabajo que dirige y controla la confeccin de la norma. Grupo de trabajo: formado por una comisin de expertos, abierta, donde se plantea el debate intelectual y

experimental de lo que se pretende normalizar. Exposicin pblica: periodo en el cul se da a conocer el documento y en el que se pueden presentar las

alegaciones y modificaciones que se consideren oportunas. Aprobacin: trmite por el cul, la norma es aprobada por el gobierno y publicada en el Boletn Oficial del Estado. Tipos. Dentro de la amplia gama de normativas existentes, podemos hacer una primera clasificacin atendiendo a los distintos tipos, segn los siguientes criterios:

- Las que describen la normalizacin de los productos. - Las que desarrollan la normalizacin de la ejecucin de los ensayos.

Entre otras, cabe destacar las normas UNE, EH, RC, RY, NLT, ASTM, DIN... Las limitaciones y valores que indican las normas, podrn ser o no de obligado cumplimiento. Cuestin sta que debe quedar explicitada en proyecto.

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 homogneo, que podemos resumir del siguiente modo: Objeto: se enuncia la finalidad de la utilizacin de la norma y el ensayo a realizar. Toma de muestras: la norma especifica cmo, en qu cantidades y qu 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 dems utillaje utilizado en el ensayo, indicando sus especificaciones, potencia, velocidades de carga, tiempos, etc. Procedimiento operativo: se detalla exhaustivamente cada paso de la realizacin del ensayo. Obtencin de resultados: se expresan las distintas formulaciones, a partir de las cuales se adoptan los valores mnimos de exigencia segn el ensayo que se realice, as como su interpretacin. 1.6.- PRESENTE Y FUTURO DE LOS MATERIALES DE CONTRUCCIN. El crecimiento en el consumo de los materiales de construccin est directamente relacionado con el aumento de la poblacin mundial y con el desarrollo de los pases (obras de ingeniera civil, infraestructuras, etc.). Se puede pensar que, al menos a corto plazo, el hormign , el mortero, yeso, ladrillos, piedra natural, el acero, etc seguirn siendo los medios ms baratos de construir, y su consumo no cesar de aumentar proporcionalmente al crecimiento de la poblacin y al desarrollo.

11