Materiales y Métodos de Diseño en Ingeniería Estructural: Propiedades y Aplicaciones

Materiales de Construcción en Ingeniería Estructural

Madera

• Propiedad clave: Anisotropía en propiedades mecánicas (sus propiedades varían según la dirección en que son examinadas), especialmente en perfiles naturales.
• Permite salvar grandes luces.
• Es un buen aislante térmico y acústico.
• Posee buena resistencia a tracción, compresión y flexión.
• Los nudos disminuyen su resistencia.
• Buena trabajabilidad.
• Sus propiedades mecánicas dependen del contenido de humedad (a mayor humedad, peores condiciones).

Piedra

• Puede ser natural, procesada o artificial.
• Resiste principalmente esfuerzos de compresión.
• Utilizada en estructuras de gran desarrollo volumétrico y elevado peso.
• Excelente capacidad portante.

Acero

• Disponible laminado en caliente o laminado/doblado en frío.
• Material industrial que destaca por su durabilidad, ductilidad y tenacidad.
• Propiedades geométricas y mecánicas certificadas.
• Costo económico alto por unidad de volumen.
• Susceptible a la corrosión, requiere cuidados especiales en ambientes marinos.
• Permite la creación de elementos lineales y planos con gran versatilidad y oferta.
• Comportamiento lineal en el rango de deformaciones elásticas.
• Al añadir carbono, pierde ductilidad pero gana resistencia mecánica (la cantidad de carbono no suele superar el 1%).

Hormigón Armado

• Es anisotrópico cuando contiene armaduras.
• El hormigón posee excelente resistencia a la compresión.
• Las barras de acero le confieren excelente resistencia a la tracción.
• Material heterogéneo que combina las mejores propiedades de la piedra y el acero.
• Gran plasticidad, lo que permite crear prácticamente cualquier geometría.

Elementos Estructurales y su Clasificación

• Elementos lineales: Vigas, columnas, barras de reticulados. Poseen una dimensión predominante (longitud). Pueden tener directriz recta o curva.
• Elementos superficiales: Losas y cáscaras. Poseen dos dimensiones predominantes (superficie). Pueden ser planos o con cualquier tipo de curvatura.
• Elementos volumétricos: No son frecuentes en obras arquitectónicas; se usan como factor estabilizador de cargas.

En esta materia, nos enfocamos en elementos lineales y en estructuras clasificadas por su vector activo, sección activa o altura activa:

• Estructuras de vector activo: Predominan los esfuerzos axiales (ej. reticulados).
• Estructuras de sección activa: Predomina la flexión (ej. vigas de alma llena).
• Estructuras de altura activa: Combinan las características de las dos anteriores.

Métodos de Diseño Estructural

Método LRFD (Load and Resistance Factor Design)

Este método utiliza cargas mayoradas para determinar la solicitación de la estructura y las capacidades resistentes.

Para Estructuras Metálicas:

Para la verificación, se compara la capacidad resistente en términos de los esfuerzos (momento flector, corte, axil, momento torsor) con los peores esfuerzos posibles.

La capacidad resistente depende de:

1. El material: Módulo elástico, límite elástico, resistencia máxima.
2. La geometría/sección transversal: Área, momento de inercia, radio de giro, etc.

La condición de diseño es: Resistencia requerida < Resistencia de diseño.

Método de Tensiones Admisibles

Para Estructuras de Madera:

Se utilizan combinaciones de carga sin mayorar para determinar las tensiones máximas. Estas se comparan con las tensiones admisibles del material.

La condición de diseño es: Tensión máxima < Tensión admisible.

Este método también depende de la geometría del material.

Comportamiento de Materiales: Diagrama Tensión-Deformación

El diagrama tensión-deformación ilustra el comportamiento de un material bajo carga:

• La línea sube recta hasta un punto que define el límite elástico, donde es válida la Ley de Hooke.
• Después, el "zigzag" representa el límite de fluencia.
• La tensión en el punto más alto de la curva define la resistencia a la tracción.
• La deformación en el punto donde termina la curva define la ductilidad del material.
• El material se deforma plásticamente hasta el punto donde termina la curva.

Por ejemplo, si la tensión es de 420 MPa y la deformación de 0.002, es un diagrama típico de acero. En acero estructural, se espera que la deformación (ε) sea superior a 0.3.