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MATERIALES Y TÉCNICAS DE CONSTRUCCIÓN

TT .97(649) Título de la publicación y autor:

)E LOS MATERIALES Car/os Guigou

Fernandez.

Dr.Arquitecto Profesor Titular de Universidad.

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CONSTRUCCIÓN I. MATERIALES Y TÉCNICAS DE CONSTRUCCIÓN

BIBLIOTECA UNiVFRSITARIA LAS PALMAS Di; G. CANARIA

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PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Cartos Guígou Famandez.

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CONSTRUCCIÓN i. MATERIALES Y TÉCNICAS DE CONSTRUCCIÓN

PROPIEDADES DE LOS MATERIALES Cartas Guigou Fernandez. Orjlnjuitocto

CONSTRUCCIÓN I. MATERIALES Y TÉCNICAS DE CONSTRUCCIÓN. 1 TEMA2.-PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ProfesoresCGuígou/ JFHdez

INTRODUCCIÓN. El presente tema aborda el conocimiento de las propiedades mecánicas y fisicas de los materiales constructivos, profundizando, a un nivel apropiado para un estudiante de atx)uitectura, en conceptos que se estiman indispensables para el ejercicio profesional, con el objetivo de que el empleo del material se realice con la apoyatura de un conocimiento científico del mismo. La resistencia de los materiales a las solicitaciones mecánicas básicas se expone de forma práctica, habida cuenta de los conocimientos ya adquiridos en el estudio de la Física, mediante ensayos de laboratorio recogidos en fichas anexas. Las propiedades físicas se exponen agrupándolas según su relación con el fenómeno del que dependen ( presencia de líquido en los poros, conducción del calor, presencia de fuego, conducción de la electricidad,....). Se emplea la terminología y conceptos incluidos en las normas básicas de aplicación. CONCEPTOS Y TÉRMINOS CLAVE. Absorción de agua Absorción acústica Adherencia . Aislamiento Acústico Anelasticidad Calor específico Capacidad Calorífica

Densidad Desgastabilidad •• Difusión Dilatación Térmica Decibelio Ductilidad « Dureza «

Capilaridad

Flexión

Coeficiente de Poisson

Maleabilidad . .

Cohesión

Módulo de Elasticidad

Compacidad

Porosidad

Compresión

Permeabilidad

Concftjctívidad Térmica

Reacción al fuego

Corte

ResiNencia » Resistencia al fuego

Resistividad Eléctrica Tensión Tensión Superficial Torsión Tracción Viscosidad

CONSTRUCCIÓN I. MATERIALES Y TÉCNICAS DE CONSTRUCCIÓN. TEMA 2.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. Profesores:C.Guigou / J.F Hdez.

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I.- PROPIEDADES MECÁNICAS. Resistencia que un material es capaz de oponer a un esfuerzo mecánico de compresión, tracción, flexión, corte, torsión, etc..

Uno de los aspectos más relevantes de ios materiales constructivos para el arquitecto es su comportamiento mecánico, entendiendo por éste la relación entre una carga aplicada y la deformación que ésta provoca como respuesta del material, definiendo el comportamiento del material ante solicitaciones exteriores de diversa índole. Decimos que el material resiste a una acción cuando, deformándose, moviliza una oposición igual y contraria a aquélla, equilibrándola. Si el material carece de la suficiente resistencia para dicho equilibrio, se rompe. El cómo se rompe y cómo se deforma previo a la rotura nos define tres formas básicas de comportamiento mecánico, ya estudiadas en el tema anterior, que catalogan a los materiales en tres respectivos grupos : elásticos, frágiles y plásticos, si bien hay que hacer constar que no existe un material perfectamente elástico, frágil o plástico, sino que su comportamiento preponderante en una de éstas formas lo clasifican dentro del grupo correspondiente. Al material no se le somete en su trabajo mecánico a tensiones (también denominadas "esfuerzos") próximas a la rotura, sino a unos valores razonables o admisibles para una seguridad adecuada. El coeficiente de seguridad, que nos mide la relación entre las tensiones de rotura y de trabajo para el que se ha calculado y dimensionado el elemento, es variable según los materiales - un material natural es menos fiable en cuanto a uniformidad de comportamiento que un material artificial, fabricado supuestamente con un control estricto-, y también según las circunstancias de puesta en obra - mayor o menor grado de control de recepción de los materiales y de puesta en obra de los mismos, así como de los elementos con ellos elaborados-. Muchos materiales constructivos, incluso aquéllos predominantemente frágiles, presentan un período en su deformación en el que se comportan elásticamente, guardando proporcionalidad, durante el mismo, entre las tensiones ( eje de ordenadas) y las deformaciones (eje de abscisas). Y, además, la defomiación es igual - en valor absoluto- para un mismo valor de la tensión, tanto si es de tracción como si de compresión. (Ley enunciada por Robert Hooke, astrónomo y matemático inglés -1635 a 1703). Ésta relación viene expresada por el módulo de elasticidad E: 1^ ^>^-T^'nAnm'...)

SiAl=t->e= 1 ~>G' = E ; luego E representa el esfuerzo necesario para que la probeta del material a ensayar alcance el doble de su longitud inicial, o lo que es lo mismo, para que se produzca u n a d e f o r m a c i ó n unitaria igual a la unidad,

diagrama tenstón-datonnación dal acero (')

' El proceso de deformación del acero en un ensayo de tracción se describe pormenorízadamente en el Tema 11. .

CONSTRUCCIÓN I. MATERIALES Y TÉCNICAS DE CONSTRUCCIÓN. 3 TEMA 2.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. Profesores:C.Guígou / J.F.Hdez

Gráficamente, E es la pendiente del segmento lineal, y el que un material tenga un E" superior a otro, supone que es un material más rígido , esto es, más resistente a la deformación elástica, que en el ámbito de la estructura atómica del material representa la resistencia a la modificación de la separación de los átomos contiguos Éste módulo es un parámetro de conocimiento indispensable para el cálculo de las deformaciones. En determinados materiales como el hormigón - resultado de la mezcla de varios componentes-, no se produce una recta inicial, sino que el diagrama es curvo desde el inicio, por lo que se ha de recurrir a la definición de módulos de deformación según la pendiente de la tangente ( módulo tangente) en el origen o en un determinado punto de tensión, o según la pendiente de la secante (módulo secante) trazada desde el origen hasta ése determinado punto de tensión. Los distintos tipos de enlace interatómico propios de los metales (metálico), materiales cerámicos (iónico) y materiales políméricos (covalente), originan diversidad de valores en los módulos de elasticidad, como vemos a continuación en algunos ejemplos:MATERIAL

MÓDULO "E"

ACERO ALUMINIO COBRE PLOMO TUNGSTENO O WOLFRAMIO

2.100.000 690.000 1.100.000 166.000 4. 070.000

HORMIGÓN CONVENCIONAL

250.000

MADERA

100.000

VIDRIO

730.000

PVC

(KP/CM'>

< 41.000

Es de hacer notar que tales módulos se refieren a una temperatura ambiente, viéndose afectado negativamente por el incremento de la temperatura. Y tamben hay que tener en cuenta que las deformaciones en el período elástico se vienen suponiendo como independientes del tiempo, como si se tratara de deformaciones instantáneas que desaparecen instantáneamente al cesar la carga, cuando, en realidad, las deformaciones elásticas y las recuperaciones evolucionan dependiendo del tiempo, comportamiento éste denominado anelastlcidad, poco relevante, generalmente, en los metales, y bastante apreciable en ciertos materiales plásticos (polímeros). Si una probeta - por ejemplo, una varilla redonda de acero - la deformamos a tracción, junto al alargamiento longitudinal, se produce un estrechamiento o estricción transversal al eje; a la relación entre las deformaciones unitarias transversal y longitudinal o axial se te denomina coeficiente de Poisson , que, para deformación elástica del acero es del orden de 0,27 y para el hormigón, del orden de 0,20.

CONSTRUCCIÓN I. MATERIALES Y TÉCNICAS DE CONSTRUCCIÓN. 4 TEMA 2.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ProfesoresC Guigou/ J F Hdez

DETERMINACIÓN DE LAS RESISTENCIAS MECÁNICAS: ENSAYOS. La resistencia mecánica de un material ante un determinado esfuerzo, es el valor mínimo de éste que es capaz de producirle la rotura. Éste esfuerzo o tensión de rotura se expresa, generalmente, en las siguientes unidades: * kp/ cm^ ( 1 kilopondio = 9,8 newton-10 newton); luego, 1 kp/cm^- 0,1n/mm^ • n/ mm^ = MPa = megapascal (1 newton = 0,102 kp "^ 0,1 kp); luego, 1 n/mm^'^10kp/cm^ Recordatorio: 1 kg fuerza o kilopondio (peso de 1 kg) es la fuerza con que la Tierra atrae la masa de 1 kg. 1 dina es la fuerza que es capaz de comunicar a la masa de 1 gramo una aceleración de 1 cm/sM^. 1 newton es la fuerza que es capaz de suministrar a la masa de 1 kg una aceleración de 1 m/seg . 1 newton = 10* dinas.

Las resistencias mecánicas se determinan mediante ensayo homologado para cada una de ellas, describiéndose los ensayos de tracción, compresión, flexión , corte y torsión en fichas anexas a éste tema. Además de éstas respuestas a solicitaciones mecánicas básicas, hemos de conocer otras propiedades mecánicas de interés en casos particulares de empleo de un material. Éstas son: DUREZA.- Es la capacidad de un material para oponerse a ser deformado plásticamente en su superficie por la acción física de otro, propiedad directamente vinculada a la concentración molecular, distinguiendo las tres siguientes modalidades de dureza: DUREZA AL RAYADO . Es la resistencia que ofrece un material a ser rayado por otro más duro. Ésta modalidad de dureza representa su concepto más antiguo, basándose en una jerarquización de materiales minerales patrón, que estableció Mohs, en una tabla del 1 al 10, desde más blando hasta más duro, en el que cada mineral raya al inmediato inferior y es rayado por el inmediato superior. Por consiguiente, cualquier material medido según ésa escala, nos arroja un puesto de dureza - dureza relativa-, no una evaluación numérica de la misma. ESCALA DE DUREZA MOHS 1.... Trtco 2 Yeso 3 Catoita 4 Espato flúor 5 Apetito 6 Ortosa 7 Cuarzo 8.... Topacto 9 Corindón 10.... Diamante

Dureza de algunos metales Pk>mo 1.5 Estaño 2,5 Hierro dutee 5 Acero templado... 8.

DUREZA A LA PENETRACIÓN. Se refiere a la oposición que presenta un material a que otro más duro pueda hacer mella en su superficie por efecto de la presión.

CONSTRUCCIÓN I . MATERIALES Y TÉCNICAS DE CONSTRUCCIÓN. S TEMA 2.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ProfesoresC Guigou/ J F Hdez

Para ello se emplean penetradores diversos, que producen una huella cuyo tamaño o profundidad son medidas, dando los resultados de dureza estimada. El método Brínell mide la huella (cuyo diámetro se mide con lupa de ocular graduado) provocada por una bola de acero endurecido de 10mm de diámetro, bajo cargas entre 500 y 3000 kg, que se incrementan en escalones de 500 kg , manteniéndose durante un intervalo 'de tiempo entre 10 y 30 segundos. La tensión de dureza Brinell viene expresada por: 2P en kp/mm

HB' Tt-D ( D -^ D ' - d') fr-

La pcoporción entre H y la resistencia a tracción de algunos materiales, como, por ejemplo, el acero ordinario.es: f. = 0,362HB, siHB175

Vicktrs

Q

1/

l'[-\

El método Vickers sustituye la bolita de acero por un penetrador con punta en pirámide, de diamante, de base cuadrada y ángulo en el vértice de 136 ". Las cargas aplicadas son del orden de 1000 g. Éste método, aconsejable cuando el número de dureza Brinell sobrepasa los 400 kp/mm^ , siempre es adecuado para medir la dureza en áreas localizadas de la muestra y en materiales frágiles, como los pétreos y cerámicos. La dureza Vickers se designa por HV, y una técnica semejante con escala de medir equivalente es la de microdureza Knoop (frecuente en los materiales pétreos naturales), que se designa por HK - emplea penetrador de diamante en pirámide que deja huella rómbica. Los lados del rombo están en la proporción 1 / 7,11-. Recomendable para la dureza superficial sobre capas muy finas. 1,8544 P

El número de microdureza Vickers, es-, HV = I1 + I2 Si I1 = I2 — > I = — 14,2 P

El número de microdureza Knoop, es : HK -

El método Rockwell mide la dureza a través de la profundidad de la huella de penetradores esféricos de acero endurecido - de diámetros 1,588

CONSTRUCCIÓN I. MATERIALES Y TÉCNICAS DE CONSTRUCCIÓN. 6 TEMA 2.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. Profesores:C.Guigou / J.F Hdez.

mm, 3,175 mm, 6,350mm, 12,70 mm - , para materiales blandos, o de penetrador cónico de diamante, con 120° en el vértice, para materiales duros. Se distingue tres etapas en el proceso : a) ho = profundidad de huella con carga previa (10 kp). b) hi = profundidad de huella con carga adicional (140 o 90 kp) c) h = profundidad de huella permanente, tras la recuperación elástica del material en la etapa anterior. Se obtiene la penetración remanente h , y la profundidad de la huella será : e = h - ho. El espesor de la probeta no debe ser inferior a 10 veces la profundidad de la huella, y no se deben tomar dos medidas excesivamente próximas - no más juntas de unos tres diámetros de huella - pues se cometen inexactitudes. Empleando penetrador esférico, el número de dureza Rockwell es : HRB = 130-e Empleando penetrador cónico, el número de dureza Rockwell, es:

La designación de la dureza Rockwell no sólo se remite al número de dureza, sino que además incorpora el tipo de penetrador ( B o C ) y la carga máxima -en kp-empleada. Así, 60 HRC 150 indicaría un número de dureza 60, con penetrador cónico, con carga máxima aplicada de 150 kp. El método Shore es empleado para medir la dureza de materiales blandos como el caucho, el yeso mediante un aparato portátil - durómetro-, que incorpora dos tipos de punzones, definiendo el Shore A -para los materiales más blandos - , con el efecto de una carga de 12,5 N, y el Shore D frecuente para plásticos de mayor dureza -, con el efecto de una carga de SON. Las unidades se refieren a Shore A o Shore D.

DUREZA POR IMPACTO DINÁMICO- Se refiere a la medida de la dureza por medio de la energía elástica que un material absorbe mediante un impacto. Éste tipo de determinaciones suelen ser menos precisas que con penetradores estáticos, pero se emplean por su rapidez y comodidad de realizar los ensayos in situ, mediante aparatos portátiles. Un sistema muy empleado en obra para la obtención de la dureza superficial de piezas de hormigón, es el esclerómetiro Schmidt, en el que una pieza metálica -percusor - impulsada por un resorte golpea la superficie del hormigón, y su rebote se recoje numéricamente en una escala. Éste índice de rebote tiene una correlación con la resistencia a compresión del hormigón, por lo que se puede hacer - con mucha experiencia previa- un seguimiento de la evolución de la resistencia con el transcurso del

CONSTRUCCIÓN I. MATERIALES Y TÉCNICAS DE CONSTRUCCIÓN. 7 TEMA 2.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ProfesoresC.Guigou/ J F Hdez

tiempo en una pieza hormigonada. Éste aparato portátil, que da una información por ensayo no destructivo, es empleado en sesión práctica en laboratorio. D U C T I L I D A D . Nos indica el grado de deformación en frío de una pieza previo a la rotura a tracción.

Es la aptitud de un material para experimentar una elevada deformación plástica bajo esfuerzos de tracción - el material "fluye" antes de romper, lo contrario que los materiales frágiles, en los que la fractura se produce una vez traspasado el período elástico, sin apenas "capacidad de aviso" previa (3)-. Los materiales aptos para elaborar alambres son necesariamente dúctiles, como el acero, aluminio, cobre, estaño,.... Si lo es la longitud inicial de la probeta ensayada, y If su longitud final tras la rotura, el porcentaje de deformación plástica hasta la rotura, será: If-lo x100= % Éste dato resulta de importancia en los ensayos de acero a tracción, ot>teniéndose tras marcar la probeta inicialmente por la parte central en una longitud no menor de 50 mm • o cinco veces el diámetro, en los perfiles redondos de acero empleados en honnigón armado -, pues por ésta zona central se forma el estrechamiento localizado previo a la rotura , que conocemos como "cuello de estricción'. Una vez rota la pieza, se unen los dos trozos y se mide la longitudfinalobtenida por deformación plástica. Si un material no es capaz de deformar más de un S% hasta la rotura, puede considerarse frágil. De igual manera, si Ao es el área de la sección transversal inicial, y At la final tras la fractura, el porcentaje de reducción de área será: A,-Ao x100 = %. Ao La ductilidad se incrementa con la temperatura. MALEABILIDAD. compresión.

Nos indica d grado de deformación en frío de una pieza previo a la rotura a

Es la aptitud de un material para experimentar una elevada deformación plástica previo a la rotura, bajo esfuerzos de compresión. Mediante operaciones de forja - dar forma mediante golpeo en caliente - o de laminación - a través de rodiiios -, puede obtenerse láminas u hojas más o menos finas. Metales como el cobre, estaño, aluminio, plomo, acero, son maleables, y entre los preciosos, el oro lo es en grado sumo - su posibilidad de conformación en hojas finísimas, de pocas mieras de espesor, permitió los recubrimientos de "pan de oro". La maleabHidad y la ductilidad de los metales dependen de la facilidad con que k» planos de átomos desKcwi entres!.

' La fragilidad supone una muy escasa capacidad de deformación plástica previa a la rotura.Y ello no debe confundirse con debilidad, pues ésta representa escasez de resistencia. Un material frágil es el mármol del Pentélico. con notable resistencia a compresión,y con él los griegos han realizado robustas y duraderas estructuras.

CONSTRUCCIÓN I. MATERIALES Y TÉCNICAS DE CONSTRUCCIÓN. T E M A 2.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. Profesores.C.Guigou / J.F Hdez.

TENACIDAD.

Mide la capacidad de un material para absorber energía antes de romper.

Es el trabajo capaz de ser desarrollado por un material en su proceso de deformación. Ésta deformación puede ser elástica o plástica, por lo que cabría referirse a tenacidad elástica, plástica o total. La energía absorbida por el material hasta la rotura, puede obtenerse multiplicando la tensión de rotura por la deformación máxima alcanzada, lo que nos define el trabajo realizado por unidad de volumen: Tenacidad • newtons/m' . m/tn • newtons . metro / m* • julios/ m' , que es el trabajo requerido para romper la probeta sometida a ensayo - de compresión o de tracción -.

Para una carga de aplicación lenta, la tenacidad, gráficamente. comprende el área entre la curva tensión - deformación, el eje de abscisas y la ordenada en el punto de rotura. Éste área, en un material frágil, es de escasa entidad. Sí un material es tenaz, presenta tanto una alta resis tencia, como ductilidad. Un material frágil, al no desarrollar una deformación plAstica previa a la rotura, es menos tenaz que uno dúctil, o podria incluso decirse que en absoluto es tenaz si careciera, como frecuentemente ocurre, de un apieciable tramo de deformación elistlca, por muy resistente que pudiera ser.

RESILIENCIA

Es la resistencia a flexión por clioque.

La energía cinética que es capaz de absorber un material cuando un cuerpo choca contra él, deformándolo hasta la rotura, caracteriza la tenacidad de éste material ante un impacto, denominándose resiliencia ai trabajo absorbido por choque en flexión hasta rotura, dividido por la sección de la pieza - kg. m/ cm^-. En un diagrama tensión deformación - por ejemplo, de un acero -, sin sobrepasar el límite de elasticidad, podremos definir su resiliencia como la capacidad de absorber energía en la defomnación elástica y de devolverla al cesar la carga. Así, definiremos el módulo de resiliencia como sigue: U,«J

T-dft

:les en el Interior del espacio proyectado. El Confort puede definirse como la ausencia de molestias sensoriales experimentadas por el cuerpo humano.Para el mantenimiento de la temperatura de nuestro cuerpo, se requiera un aporte calorifioo que proviene de la energía de los alimanlos. Si te pérdidas ton excesivas, se Mega a la sensación de fHo.Cuando entra nuestro cuerpo y te oi)jetoB que nos circundan existe una ntítatíi» diferencia de temperatura, se producirá un intenso camt)io de calor, por radiación. SI te paredes que delimitan un espacio habitóle poseen una débü resistencia al paso del calora al existir una temperatwa exterior ta^a/alta, seproducirá interiormente una molesta sensación de frío / calor, teniendo la superficie

CONSTRUCCIÓN I. MATERIALES Y TÉCNICAS DE CONSTRUCCIÓN. 18 TEMA 2.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ProfesoresC.Guigou/ J F Hdez interna de la pared una temperatura notablemente inferior/ superior a la del amt>iente del local. Cuando ésta diferencia supera los 3*C en paredes y los 2*C en techos, se produce sensación de malestar. Los arquitectos a veces nos olvidamos de la reacción que se va a producir cuando entra en contacto el cuerpo y los materiales que hemos elegido atendiendo a una serie incompleta de requerimientos; incompleta, porque el tacto y la reacción que se produce es una cuestión a la que generalmente no se le dispensa la precisa atención,a pesar de que afecta directamente al pretendido confort. Aquéllos materiales que distinguimos como "calientes al tacto*, son los de alta resistencia al paso del calor sinm de ejemplo la madera, o el corcho -. El traspaso de calor que se verifica al contactar nuestro cuerpo con un material a menor temperatura, es por conducción, y procedemos, en ésta cesión, a calentar rápidamente la superficie de contacto hasta una temperatura cercana a la nuestra. Un suelo de madera o una alfombra es agradable para una temperatura de 22 *C, permitiéndonos estar descalzos sin percibir una sensación desagradable. Un pavimento de hormigón, grantto o mármol, precisa, para la misma sensación, ser calentado a una temperatura más alta. Los materiales que se perciben como "fríos al tacto" , son aquéllos que poseen una baja resistencia al paso del calor. Al contacto con ellos, el calor es sacado rápidamente del cuerpo por un largo tiempo, y experimentamos frío.

CALOR ESPECÍFICO. Es una propiedad relacionada con la cantidad de calor que necesita la unidad de masa de un material para aumentar su temperatura. Cuando se da una cantidad de calor de "Q" calorías a un cuerpo de masa "m", su temperatura experimenta un incrementoZiT. La caoacidad calorífica de ése material será : QltiT; si la referimos a la unidad de masa, tendremos : Q Calor específico =

< JUHOS / kg X «C , kcal / kg X «C) ; I juto = 0,24 catarlas; 1 catarla = 4,18 jultos;

mxAT Podría definirse el catar especifico de un material como la canttalad de catar que hay que suministrar a 1 kg de masa para hacer aumentar su temperatura en 1 *C. capackiad cakirlfica Calor especifico = • masa

capactaad catarffica volumen apa. x dens. apar.

Capacklad calorífica = catar especifico x densklad aparente; (kcal / m' x *C). Volumen Aparente Si un ntateri^ posee un catar especifico bajo, es que incrementa mucho su temperatura para una escasa aportación de catar. Si el catar especifico es alto, es que el numerador - catar aportado - es abundante , y, en cambta , el ínnrMnantn • tnwjMut incremento He defaniDaraliini temperaturaMflnaritnMitarin experimentado. -danominador. denominador- • es escaso Cuanto mayor sea la capacidad calorífica por unidad de volumen, el material tendrá mayor capacidad de almacenar calor. Asi pues, la construcción con elementos pesado* • como nuestra construcción tradicional a base de gruesos muros de piedra y baño- posee una alta capacklad de almacenar catar, variando su temperatura lentamente, debkto a la generosa cantklad de material empleado en su nolabta espesor, poseyendo el muro una apredabie asIafeflMatf ténnícm. Los elementos constructivos ligeros empleados hoy día en lo* cenwniento*, almacenan poco catar, porto«|u* *u baja estabilklad ténntaa s* deberá compensar con materiaie* eepeciaüzados en limitar la transmisión del catar, ádo e*, d* baja conductivklad ténntaa, conocidos como mafwlal** alslanf**. Adema* del agua,tasmateríata* denaos • como ta* metate*, te piedra natural compacta, el honnigón - poseen una capacidad catorlfica por unktod de volumen aRa, mterrtras quetosmateriate* poroso*, poco densos, comotasdestinados a aistemtento térmtao, poseen una capacidad catarifica b^a. Si conocemos el catar especifico de un material, cuya masa es *m' y su incremento de temperatura '¡¿T «n un ttempo dado, podemos obtenertecantklad de calor que ha absori)klo/perdkta al catentarse / enfriarse: Q > C. X m xAT. A modo de «jcmpta, se retactana vatores de catar especifico para alguno* materiate*:

CONSTRUCCIÓN I. MATERIALES Y TÉCNICAS DE CONSTRUCCIÓN. 19 TEMA 2.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. Profesores:CGuigou / J F Hdez MATERIAU SUSTANCIA

CAPACIDAD C A L O R Í F I C A

CALOR E S P E C Í F I C O

Hielo

Aluminio Cobre Ladrillo macizo

Hormigón armado Hormigón en masa.! Vidrio de acristalamiento Madera de conifera Madera de fror>dosa Tierra vegetal Roca compacta Poiíestireno expandido Poliestíreno extruido

(Kal/KgX»C) 1.00 0,51 0.29 012 0.21 0.09 0.32 003 009 0.19 025 0.19 0.33 0.30 0.22 0.21 0,38 0.29

( Kcal / m3 X *C) 1.00 0.45 0.00 0,90 0,59 0,80 0,57. 0,36 0.64 0,46 0,60 0.50 0,20 0,24 0,40 0,58 0.01 0,01

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA . El flujo de calor a través de los materiales depende de su estructura interna y de la composición química de la materia que los constituye. Los materiales metálicos son los más conductores , y los materiales leñosos - madera, corcho - son poco conductores.Los materiales más densos son conductores; los ligeros, aislantes. Existen materiales sintéticos específicos para limitar la transmisión del calor, como el conocido poliestíreno expandido, que es una espuma de poliestíreno - es decir, un polímero -. La propiedad que tienen éstos materiales aislantes es la de dificultar el paso del calor de un punto a otro de su masa, por lo que tienen una baja conductividad térmica , definiéndose éste importante coeficiente A como la cantidad de calor en Kcal que atraviesa una superficie de 1 m^, con 1 metro de profundidad ( probeta cúbica de una muestra de material), en un tiempo de 1 hora, para una diferencia de 1 grado entre las caras caliente y fría. Kcal Las unidades de la conductividad térmica, serán: A * • mxhx»C En la Naturaleza no existe ningún material perfectamente aislante, siendo el aire seco y en reposo - pues si está enmovimiento existiría trasmisión por convección - una de las sustancias niás aislantes con una = 0.021. De aquí, que la mayoría de los materiales aislantes posean una estructura derntcromoMculasque contienen en su interior aire inmovaizado. Ésta es la razón por la que k » arquitectos empleamos con frecuencia el ceñimiento de doble hoja - interior y exterior separadas por una estrecha cámara de aire - de no más de 3 cms de ancho, pues anchos superiores incrementan la convección, debida a las diferencias de densidad del aire, movilizándose, y la cámara comienza a perder eficacia aislante -. Sobre éste aspecto se incidirá pormenorizadameirte en cursos superiores. La resistencia al paso del calor de un elemento constructivo ejecutado con un material de corvluctividad X , será inversamente proporcional a éste y directamente proporcional al espesor dado al elemento, esto es:

m*xhx»C Resistencia al paso del calor« A

Kcal.

Los materiales aislantes, de elevada resistencia térmica, poseen una baja capacidad calorífica.

A modo de ejemplo, se relacionan valores de conductividades térmicas de algunos materiales, extraídas de la NBE CT 79.

CONSTRUCCIÓN I. MATERIALES Y TÉCNICAS DE CONSTRUCCIÓN. 2U TEMA 2.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ProfesoresC.Guígou/ J F Hdez MATERIAL. DENS. APAR.( kg/m') Roca compacta > 2500 Roca Porosa de 1700 a 2500 Arcilla 2100 Revestimiento de yeso 800 Enfoscado - cemento • arena2000 Hormigón convencional 2400 Hormigón ligero 1400 Hormigón celular 300 Muro o tatNque de bloques huecos 1400 Muro o tabique de ladrillo macizo 1800 Muro o tabique de ladrillo hueco 1200 Vidrio para acrístalar 2500 Acero 7850 Cobre 8900 Bronce 8500 Aluminio 2700 Madera de frondosa 800 Madera Pino 600 Aislante Térmico-Porexpan25

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA (Kcal / m x h x «C) 3,00 2,00 0,80 0,26 1.20 1,40 0,47 0,08 0,48 0,75 0,42 0,82 50 330 55 175 0,18 0,12 0,028

DILATACIÓN TÉRMICA.- El calor produce en todos los materiales, en mayor o menor medida, variaciones dimensionales de expansión -o dilatación - y contracción al calentarse o enfriarse. El control de éstos movimientos se realiza desde el proyecto por medio del coeficiente de dilatación, que es un parámetro propio de cada material. Una dilatación entraña una variación de volumen, y ésta será proporcional al tamaño de la pieza y a la cuantía de la variación de temperatura. Aquí desempeña un importante papel la estructura interna del material, quien determina lo enérgico de su reacción ante el cambio de temperatura. El coeficiente mide la variación de longitud, superficie o volumen ante un incremento de temperatura. Así: ^ ' •

Coeficiente de dilatación lineal (A)'

(en'C^ ) LXAT

Coeficiente de dilatación superficial 0 ) >

^ Coeficiente de dilatación volumétrica (¡i)>

¡ aproximadamente p > 2A;

S XbJ

Av VxAT

, aproximadamnte

2í ~ ^ ^ ~ ^ '•

'

Éste número al que generalmente prestamos poca atención a la hora de redacción del proyecto, que es cuando estamos decidiendo los materiales que conformaren el objeto, posee una gran importancia a la hora de compatibiHzar matedaies de distinta naturaleza a los que obligamos a trabajar juntos, y a constituir un todo solidario. El arquitecto emplea hoy en dia una gran cantidad de materiales con coeficientes de dtatación generalmente elevados, al contrario que antafto, que se constnjla con pocos materiales que resolvían un «npfio espectro de funciones - sostener, aislar del calor, mido, agua,...-. La constnjcción se basa en el comportamiento solidario de sus materiales y elementos constnictivos. Estos, al exponerse a importantes cambios de temperatura pueden sufrir notables defonnaclones que dificultan su comportamiento solidario, pudiendo originarse en sus encuentros tensiones insoportabies.Cada elemento, al aumentar de temperatura, acumula energía potencial, modificando las distancias que fijan sus enlaces. A titulo de ejemplo, se relacionan coeficientes de dilatación lineal de algunos materiales constnictivos. Es de destacar que los materiales no dilatan en la misma cuantía independiantemente del intervalo de temperatura considerado, es dsdr, un incremento de 20 *C no produce los mismos cfÉctos entra 20 y 40 *C que entra 100 y 120 *C. De aquí, que los siguientes valores se refieran a un intenraio de temperatura entra 20 y 100 *C.

CONSTRUCCIÓN I. MATERIALES Y TÉCNICAS DE CONSTRUCCIÓN. 21 TEMA 2.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ProfesoresCGuigou/ JF Hdez MATERIAL

COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL ( • C ' )

ALUMINIO MAGNESIO COBRE PLOMO ESTAÑO ZINC HIERRO MADERA DE PINO PIEDRA CALIZA LADRILLO MORTERO DE CEMENTO HORMIGÓN (valormedio) CLORURO DE POLIVINILO (PVC) VIDRIO

23 XIO"* 27,1X10-* le.SXIO"' .-...29,3X10;' 23 XIO-» 39 X 10-' 12X10-' 4 X IQ5 X lO"* 5 X10 -• 14 X 10-' 10x 10-* 70 X IQ-* gxio-*

Éste coeficiente nos permite calcular el movimiento térmico de un elemento, multiplicándolo por el incremento de temperatura y por su longitud inicial .bL > a x L x^T ( m m , cm). Las juntas de dilatación se disponen, precisamente, para al)Sort>er los movimientos de expansión sin que se produzcan tensiones que puedan arruinar lo construido. Cuando el elemento es de escasas dimensiones y de t>a)o * a ' , también lo será su deformación térmica, es decir, su incremento de longitud, por lo que podemos acudir a una unión rígida, que soporte la tensión originada sin alteraciones. De lo contrario, hemos de proyectar las uniones de forma que permKan el libre movimiento de los elementos. A la prinwra postura se le denomina "coercitiva'' y a la segunda," permisiva'. Si conocemos el módulo de elasticidad del elemento que sufre la deformación ténnica de valor A L . tendremos. A.L / L = a x / J = »"/ E ~ > 10* > 10"

CONSTRUCCIÓN i. MATERIALES Y TÉCNICAS DE CONSTRUCCIÓN. 26 TEMA 2.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ProfesoresC.Guigou/ J FHdez.

BUENOS CONDUCTORES

CONDUCTORES MEDIOCRES

AISLADORES

Metales Grafito

Madera húmeda y seca Tierra húmeda Agua potalile Cuero

Vidrio Mica Pollestireno Porcelana

RESUMEN Las resistencias a la rotura por compresión, tracción, flexión, cortadura y torsión, nos sirven para conocer las tensiones admisibles, de trabajo, a las que al material que conforma el elemento constructivo se le puede exigir durante su vida en servicio, y que no debe sobrepasar a fin de no afectar a la seguridad de la construcción. En su proceso de deformación previo a la rotura, el material nos indicará su naturaleza dúctil - ante un esfuerzo de tracción - o maleable - ante un esfuerzo de compresión -. De su capacidad para desarrollar trabajo previo a la rotura, esclareceremos su calificación como material tenaz o frágil. Para elegir un buen material resistente a la flexión por choque, es decir, un material resiliente, hemos de atender a un material con notable límite elástico y bajo módulo de elasticidad. Además de a éstas solicitaciones, el arquitecto proyecta elementos que deban resistir la acción de un tránsito de personas, o de vehículos diversos, o de golpes, por lo que deberá atender a la elección de un material suficientemente duro , bien sea al rayado o a la penetración. En los materiales porosos, que constituyen la mayoría de los empleados en la construcción, hemos de adoptar precauciones en su contacto con el líquido más familiar para el arquitecto: el agua. De la naturaleza de sus poros • accesibles o inaccesibles -, de la cuantía y proporción de éstos, y de la morfología de los mismos, nos encontraremos con materiales proclives a la ascensión capilar, a la at)sorci6n de agua, a la acción destructiva del agua retenida al helarse - heladicidad -. etc. Igualmente, una elevada relación de contenido de mateiia sólida respedo del volumen total, nos indica una elevada compacidad, lo que dificulta la penetrabilidad de líquidos al interior, y disminuye la permeabilidad del sólido , que es la capacidad de ser atravesado por un fluido bajo presión. Ésta impenetrabilidad al agua nos define materiales impermeables, aptos para su empleo como barrera estanca al agua. Pero no sólo el agua líquida constituye un problema para impedir su acceso, sino también el agua en forma de vapor, u otros gases usuales en la atmósfera, movimiento a través del material que conocemos con el nombre de ' difusión'. Del coeficiente de resistividad al paso de éste gas, deduciremos el caracter transpirare del material, y la adecuación de su elección. Del mismo modo, hemos de enfrentamos a la conducción del calor a través de tos elementos proyectados con un determinado espesor de un cierto material. Para retardar el intercambio de calor entre el ambiente exterior el interior, se ha de prestar atención a la facilidad o dificultad que ofrecen los materiales para calentarse y enfriarse, y para ello nada mejor que conocer su calor ^pecffíco, su (hnsldad y su capacidad calorifíca.fmes ello nos dará la clave de la estatrilidad térmica que poseerá nuestro cenramiento. Generalmente, con los materiales tradicionales y los amplios espesores de su empleo, resolvíamos los problemas térmicos sin necesidad de acudir a los materiales específicamente fabricados para limitar la transmisión del calor, propios de la construcción moderna. El monolítico y grueso muro de antaAo da paso al heterogéneo cerramiento - sandwich moderno, en el que se intercala aislantes térmicos, de baja contktctividad témtíca, en forma de

CONSTRUCCIÓN I. MATERIALES Y TÉCNICAS DE CONSTRUCCIÓN. 27 TEMA 2.- PROPIEDADES DE LOS MATERIALES. ProfesoresC.Guigou/ J F Hdez. planchas de productos naturales - como el corcho - o sintéticos • como el poliestireno •, todos ellos materiales de escasa densidad y de estructura de poro cerrado. Otro aspecto que aborda el arquitecto en su diseño en relación con el calor es la problemática de las dilataciones diversas que sufren los materiales de distinta naturaleza al hacerios trabajar solidariamente, pues la construcción ha de conservar la solidaridad de sus componentes, si se pretende hacer un objeto durable. El conocimiento del coeficiente de dilatación térmica - lineal, superficial o volumétrico -, y de las medidas a adoptar respecto a éste movimiento, constituye una importante base de partida para afrontar las futuras soluciones constructivas. En relación con el riesgo de incendio, el arquitecto debe resolver los espacios con la previsión de una adecuada evacuación de las personas, y construir éstos espacios con materiales en consonancia con el nivel de riesgo. El poder calorífico de los materiales, la reacción al fuego de los mismos y la resistencia al fuego de los elementos constructivos, son conceptos básicos para afrontar, posteriormente, un correcto diseño. La contaminación acústica de nuestras ciudades, el nivel de ruido producido por los vecinos de un edificio, etc., precisan de atención en el diseño del arquitecto, a fin de conseguir una adecuada atenuación acústica concordante con las exigencias del objeto proyectado. El decíbelio como nivel de intensidad sonora, el ligero material absorbente acústico como disipador de la energía sonora, y el pesado material aislante acústico como reflectante de ondas sonoras, son conceptos de partida para posteriores cálculos y resoluciones constructivas. En cuanto a la capacidad para conducir electricidad, y de ella la consideración de materiales conductores, semiconductores o aisladores, se aportan los conocimientos de la conductividad y resistividad eléctricas, apreciando que de la configuración electrónica y del enlace interatómico, se desprende que aquéllos materiales con abundancia de electrones libres, fácilmente movibles - caso de los metales - son los especialmene conductores, mientras que en los materiales cerámicos iónicos, ésta escasez les dota de baja conductividad ( alta resistividad ). En el intermedio quedan los semiconductores, como el silicio, de extendido empleo en los circuitos microelectrónicos. BIBUOGRAFiA CONSULTADA. 'Norma Básica NBE CPI-91 . Protección contra irx:endios en los Edificios. 'Norma Básica NBE CA-88 . Condiciones Acústicas de los Edificios. 'Norma Básica NBE CT-79 . Condiciones Tánnicas en k» Edificios. *CaHister,Jr., WiHiam O. Introducción a la Ciencia c Ingeniería de los Materiales. Ed. Reverte, S.A. Tomo I: capitulo 6. Tomo I I : capitulo 19. Bil)lk)leca ETSALP n* 16.812 y 16.B12-1. 'VHIanueva, Luis. Ciencia,Tecnologla y Estudio Descriptivo de los Materiales de Construcción. Constnjcción I.ETSAM. 'Laffarga Osteret /Olivares Santiago.Materiales de Construcción. Editan. Capitulo X. ' *Weisse.K. Acústica de los Locales. Editorial Gustavo GW. 'Arredondo y Verdú, Francisco. Generalidades sobre Materiales de Construcción. Senncio PutiNcaciones Revista Obras Públicas.ETS Ingenieros. Madrid. * Hayden .Moffat y Wulff.Ciencia de los Materiales.Volumen Ill.Propiedades Mecánicas. EcMorial Limusa-Wiley.S.A. México. 1968; 3ibfioteca Departamental. -. . ^^ * Allen,Edward. Cómo Funciona un EcHficio. Principios Elementales. Cap 8. Editorial Gustavo GW. *Rosique,J. / Coca ReboNero.P. Ciencia de los Materiales. Ediciones Pirámide S.A. Madrid. Tema 22. BibMMa Departamento Construcción n*0571. * Martin Monroy, Manuel. Comportamiento térmico de los cerramienlos soleados. Tesis Doctoral. ETSALP.

UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE CONSTRUCCIÓN ARQUITECTÓNICA LABORATORIO UNIVERSITARIO DE LA EDIFICACIÓN PRÁCTICA DE LABORATORIO

.

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LAPETRA ROMO / BRINCAS CÁSCALES

Apellidos

f e c h a : MC.96

„

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LUIS / CARLOS

Nombre

ENSAYO ENSAYO DE METALES A FLEXIÓN POR CHOQUE. NORMATIVA APLICADA UNE 7056 DATOS DE PARTIDA PROBETA DE ACERO : CUADRADO #10mm A-42b

INSTRUMENTAL O MAQUINARIA UTILIZADA (nombre y PÉNDULO CHARPY HOYTOM.

función)

POTENCLV MÁXIMA: 30 kg m seg

I>ISCO: 20 KG BASE : 750 x 500 mm. ALTURA: 1450 mm. FUNCIÓN: conocer el comportamiento de materiales sometidos a esfuerzos dinámicos.

RESULTADOS

Wa f =

^

17,8 =s

= 22,5 kg m / cm2 ;

A

0,8

Wa

20,6

Ta

s A

s 25,75 kg m /cm2; 0.8

RESILIENCiA MEDIA: 24 kgm/ cm2.

PÉNDULO DE CHARPY. ESQUEMA Y VISTA DE COLOCACIÓN DE LA PROBETA, CON LA ENTALLADURA AL LADO CONTRARIO DEL IMPACTO.

VISTAS DE LA PROBETA ANTES Y DESPUÉS DEL ENSAYO.

DETALLE DE INSTANTE DE ROTURA DE TABLÓN DE PINO A FLEXIÓN. LABORATORIO LAUDE - ETSALP.

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ROTURA DE T A B L Ó N DE PINO A FLEXIÓN,

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LABORATORIO LAUDE

OKÉIÍM

- ETSALP.

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^UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA ^ ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE CONSTRUCCIÓN ARQUITECTÓNICA LABORATORIO UNIVERSITARIO DE LA EDIFICACIÓN PRÁCTICA DE LABORATORIO

AT.-.11. -. Sayas Martel/ Campos Guereta Gómez "Peiiidos i ENSAYO

f e c h a : Enero 97

Nombre

Gerardo / Andrés _!

DENSIDAD APARENTE DE ROCA BASÁLTICA

NORMATIVA APLICADA

UNE 7083.- Determinación del Peso Específico Aparente y Absorción en Gravas y Arenas. DATOS DE PARTIDA

PRACCIÓN DE ROCA BASÁLTICA t^rocedencia: Campus de Tafira

INSTRUMENTAL O MAQUINARIA UTILIZADA (nombre y f u n c i ó n )

Balanza con capacidad máxima de 5 kg, y sensibilidad de 0,5 gr. Castilla de alambre para inmersión de la muestra. Eatufa para desecado a 110"C, a peso constante.

^KSULTADOS

^aso Saturado: 3.813,13 gr; Volumen Aparente: 1408,38 cm' Paso Sumergido: 2409,75 gr; Densidad Aparente:..... 2,681 g/cm^ Paso Seco: 3.777,11 gr, Coeficiente de Absorción: 0,95% Porosidad Aparente:....2,5%;

k SECADO SUPERFICIAL DE MUESTRA SATURADA Y PESAJE.

2

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UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE CONSTRUCCIÓN ARQUITECTÓNICA LABORATORIO UNIVERSITARIO DE LA EDIFICACIÓN PRÁCTICA DE LABORATORIO A p e l l i d o s Hernández del Prado / Sánchez Casero

fecha: Enero 97 Nombre ^«v'ierl Alberto

ENSAYO

POROSIDAD APARENTE DE LA TOBA- IGNIMBRITA PUZOLANA

NORMATIVA APLICADA

UNE 7083.- DETERMINACIÓN DEL PESO ESPECÍFICO APARENTE. DATOS DE PARTIDA

FRAGMENTO DE "CANTO BLANCO" OBTENIDO DE UN SILLAR PROCEDENTE DE DERRIBO.

INSTRUMENTAL O MAQUINARIA UTILIZADA (nombre y

función)

Bandeja metálica porta -muestras Balanza de precisión (obtención de pesos seco y saturado) Balanza hidrostática (obtención del peso sumergido) Estufa para desecación de muestra. (110 "C, hasta peso constante)

RESULTADOS Peso Natural:

830,45 gr.

Contenido en humedad:

Peso Seco:

781,71 gr.

Coeficiente de ab8orclón:...32,2%

Peso Saturado: 1034,09 gr Peso Sumergido: 426,24 gr. (de muestra saturada)..

Volumen Aparente: Porosidad Aparente :

(Volumen aparente « peso saturado - peso sumergido) Densidad Aparente: 1,28 g/cm'

6,2%

607,85 cm' 41,52%

scLMilo (le MipciTicic (le imicstia saturada

\ pesaje (le la muestra saturada

miicstia cu estado natural, con contenido de luinicdad del (>.2"Á> «)

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