Los elementos químicos más importantes son el C y el Mn, que al aumentar, incrementan la resistencia (σy y σr) pero disminuyen la ductilidad (εr) y la soldabilidad. Otros componentes como Cr, Ni, Cu son beneficiosos para proveer resistencia a la corrosión y también mejorar la ductilidad; se incorporan en aceros especiales resistentes a la corrosión en cantidades del orden de 0,5 %.
Figura 1.14 Curvas experimentales de barras de acero para hormigón armado (C. Luders, 1988)
Los perfiles de acero que se utilizan en estructuras tienen diversas formas: ángulo (L), canal (C), doble-T (con un eje de simetría o doblemente simétricos como los perfiles estándar IN o HN), te (T), tubo (O), cajones y otros. En la Tabla A.2 se presentan dimensiones y propiedades para el diseño de perfiles comercialmente disponibles; adicionalmente, listas más completas de perfiles se pueden encontrar en los manuales de CINTAC (1993) e ICHA (1976).
1.2.2.2 Hormigón
Es un material artificial que imita la roca natural, con la ventaja de poder darle la forma deseada. Como la roca, tiene gran capacidad en compresión, pero presenta baja resistencia en tracción; de hecho, salvo en casos excepcionales, es común despreciar su resistencia en tracción, de modo que la propiedad de referencia del hormigón es su resistencia a la compresión. Esta se mide mediante un ensayo que puede realizarse sobre dos tipos distintos de probetas (Fig. 1.15). Siendo Pmax la carga máxima de compresión que resiste la probeta, se definen según el ensayo, la resistencia cilíndrica por medio de la tensión fc’ = Pmax/A, y la resistencia cúbica o prismática fc = Pmax /A, en que A es el área de la sección según corresponda. Aun cuando se realicen ensayos con probetas de igual sección, fc y fc’ son diferentes, ya que la geometría de la probeta influye en la resistencia, siendo siempre mayor la cúbica debido al confinamiento adicional que proporcionan el hormigón de las aristas y la maquinaria de ensayos misma. Para hormigones de uso común puede usarse como aproximación fc’ ≈0,85fc o bien la equivalencia oficial según la norma NCh170.Of85 que se presenta en la Tabla 1.3. En Chile la resistencia especificada corresponde a probetas cúbicas, o sea en base a fc, definiéndose grados de resistencia como muestra la Tabla 1.3.
Figura 1.15 Probetas estándar para el ensayo de compresión en hormigón
Como la resistencia del hormigón aumenta con el tiempo, tanto fc como fc’ se refieren convencionalmente a la edad de 28 días. Los ensayos se realizan a una velocidad de deformación unitaria relativamente lenta, del orden de 0,001/min, de modo que la resistencia máxima se alcanza en 2 ó 3 minutos. En ensayos muy rápidos, en que la carga máxima se alcanza en fracciones de segundo, se observan incrementos en la resistencia y en el módulo de elasticidad del orden de un 15 %.
La Fig. 1.16 muestra curvas σ-ε típicas para hormigones en ensayos lentos con control de deformación, lo que permite obtener la curva completa después de alcanzada la resistencia máxima. Varias observaciones de interés se pueden hacer en relación con esta figura: (a) el hormigón es un material frágil de muy baja capacidad de deformación que no tiene punto de fluencia ni rango de deformación plástica, (b) a mayor resistencia tiene menor capacidad de deformación, (c) la resistencia máxima se produce para ε ≤ 0,002, (d) después de alcanzada la resistencia máxima la capacidad del hormigón decae debido a su deterioro, que se manifiesta en grietas visibles paralelas a la dirección de la carga, las que se traducirían en una falla explosiva al alcanzar fc’ si el aparato de ensayo no redujera de inmediato la carga aplicada, (e) el colapso global de la probeta ocurre finalmente para ε ≥ 0,003, (f) la parte inicial de la curva σ-ε es aproximadamente lineal hasta σ ≈ 0,5 fc’, y (g) la curva σ-ε tiene en general forma parabólica.
Figura 1.16 Curvas de ensayos de compresión uniaxial en probetas cilíndricas (adaptada de Park y Paulay, 1975)
Para efectos de análisis se han propuesto varias idealizaciones de la relación tensión deformación del hormigón. La más popular es la de Hognestad, 1951 (Fig. 1.17), que utiliza entre ε = 0 y ε0 una forma parabólica dada por:
y una rama lineal entre εo. y εu con tensión de fractura del hormigón σu = 0,85 fc’ para ε = εu. Hognestad propuso εo = 2fc’/Ec y εu = 0,0038, sin embargo, es usual utilizar εs ≈ 0,002 y εu ≈ 0,003, sin perjuicio de cambiarlos en análisis específicos que lo requieran. También se usa frecuentemente, especialmente en Europa, la llamada “parábola-rectángulo”, cuya diferencia con la Fig. 1.17 es que mantiene σc = fc’ para ε > εo. El módulo de elasticidad, válido sólo en el rango lineal inicial de la curva σ-ε, queda dado por la Ec. 1-38, con una dispersión de ± 20 %; valores de Ec del orden de 220.000 a 280.000 kg/cm2 son típicos para el rango usual de resistencias, es decir, aproximadamente 1/10 a 1/8 del módulo de elasticidad del acero.
Figura 1.17 Relación tensión-deformación idealizada del hormigón
La resistencia del hormigón a la tracción es muy baja, del orden de 10 a 15 % de fc’, y es muy dependiente del tipo de ensayo utilizado para medirla. El ensayo de tracción directa es complejo de realizar, por ello es más común el de flexotracción, que proporciona la resistencia de tracción en flexión o módulo de ruptura fr. Es generalmente aceptada la relación:
en que fr y fc’ deben expresarse en kg/cm2.
Debido a la baja resistencia a la tracción del hormigón es usual ignorarla en los cálculos de resistencia del hormigón armado. Esto no significa que sea una propiedad poco importante del hormigón; de hecho no sólo hay casos especiales en que el hormigón se diseña en estado elástico controlado por su resistencia a la tracción, por ejemplo, en fundaciones sin armar o en estanques expuestos a fluidos altamente corrosivos o en pavimentos, sino también la resistencia a la tracción es una propiedad fundamental en relación con la resistencia al esfuerzo de corte del hormigón y en fenómenos de fisuración por retracción y temperatura.
1.2.2.3 Madera Aserrada
Las propiedades mecánicas de la madera presentan gran variación, dependiendo de la especie, la zona donde se desarrolla el árbol, el contenido de humedad de la madera y el tipo de solicitación.
Es de conocimiento común que ciertas especies como el roble y el eucaliptus son particularmente densas y resistentes, mientras lo contrario ocurre con el pino y el álamo. Sin embargo, el crecimiento del árbol es muy dependiente de las condiciones ambientales (temperatura, precipitación, calidad del suelo, manejo forestal, asoleamiento) de manera que no sólo las propiedades de una especie pueden variar considerablemente dependiendo de la localidad en que se ha desarrollado el árbol, sino que aún, en una misma localidad, son de hecho muy heterogéneas.
La Tabla M. 1 presenta algunos datos a modo de ejemplo (más información puede encontrarse en la referencia original, Instituto Forestal, 1967). Las propiedades mecánicas de la madera se presentan en términos de Op, la tensión en el límite de comportamiento lineal o límite de proporcionalidad, la tensión o, de ruptura (Fig. 1.19),