Materiales de uso común en ingeniería estructural

La ingeniería estructural depende del conocimiento de los materiales de construcción y sus propiedades correspondientes para que podamos predecir mejor el comportamiento de diferentes materiales cuando se aplican a la estructura.. Generalmente, el tres (3) Los materiales más utilizados en ingeniería estructural son el acero., hormigón y madera / madera. Conocer las ventajas y desventajas de cada material es importante para garantizar un enfoque seguro y rentable para diseñar estructuras.. Así que echemos un vistazo a los pros y los contras del acero, la madera y el hormigón.!

Acero estructural

El acero es una aleación que se compone principalmente de hierro y carbono.. Otros elementos también se mezclan en la aleación para obtener otras propiedades.. Un ejemplo es la adición de cromo y níquel para crear acero inoxidable.. El aumento del carbono en el acero tiene el efecto previsto de aumentar la resistencia a la tracción del material.. El aumento del contenido de carbono hace que el acero sea más frágil., que es indeseable para el acero estructural.

Ventajas del acero estructural

  1. El acero tiene una alta relación resistencia / peso. Así, el peso muerto de estructuras de acero es relativamente pequeño. Esta propiedad hace del acero un material estructural muy atractivo para edificios de gran altura., puentes de grandes luces, estructuras ubicadas en terrenos con poca carga de suelo y en áreas con alta actividad sísmica.
  2. Ductilidad. El acero puede sufrir una gran deformación plástica antes de fallar, proporcionando así una gran reserva de fuerza.
  3. Propiedades predecibles del material. Las propiedades del acero se pueden predecir con un alto grado de certeza.. El acero de hecho muestra un comportamiento elástico hasta un nivel de tensión relativamente alto y generalmente bien definido.. En contraste con el hormigón armado, las propiedades del acero no cambian considerablemente con el tiempo.
  4. Velocidad de erección. Los miembros de acero se instalan simplemente en la estructura, lo que hace que el tiempo de construcción sea muy corto. Esto normalmente da como resultado una recompensa económica más rápida en áreas como los costos laborales..
  5. Facilidad de reparación. Las estructuras de acero en general se pueden reparar rápida y fácilmente.
  6. Adaptación de prefabricación. El acero es muy adecuado para la prefabricación y la producción en masa..
  7. Uso repetitivo. El acero se puede reutilizar después de desmontar una estructura.
  8. Ampliando estructuras existentes. Los edificios de acero se pueden expandir fácilmente agregando nuevas bahías o alas. Los puentes de acero pueden ensancharse.
  9. Resistencia a la fatiga. Las estructuras de acero tienen una resistencia a la fatiga relativamente buena.

Desventajas del acero estructural

  1. Costo general. El acero consume mucha energía y, naturalmente, es más caro de producir.. Las estructuras de acero pueden ser más costosas de construir que otros tipos de estructuras..
  2. Ignifugo. La resistencia del acero se reduce sustancialmente cuando se calienta a temperaturas comúnmente observadas en incendios de edificios.. El acero también conduce y transmite el calor de una parte del edificio en llamas con bastante rapidez.. Por consiguiente, Los marcos de acero en los edificios deben tener una protección contra incendios adecuada..
  3. Mantenimiento. El acero expuesto al medio ambiente puede dañar el material e incluso contaminar la estructura por corrosión.. Estructuras de acero expuestas al aire y al agua., como puentes y torres, se pintan regularmente. La aplicación de aceros resistentes a la intemperie y a la corrosión puede eliminar este problema..
  4. Susceptibilidad al pandeo. Debido a la alta relación resistencia / peso, los miembros de compresión de acero son, en general, más delgado y, en consecuencia, más susceptible a pandeo que, decir, miembros de compresión de hormigón armado. Como resultado, Se necesitan más consideraciones de diseño para mejorar la resistencia al pandeo de los elementos de compresión de acero delgados..

madera versus concreto

Figura 1. Descripción general de la estructura de acero

Concreto reforzado

El hormigón es una mezcla de agua., cemento y agregados. La proporción de los tres componentes principales es importante para crear una mezcla de hormigón con la resistencia a la compresión deseada.. Cuando se agregan barras de acero de refuerzo al concreto, los dos materiales trabajan juntos con el hormigón proporcionando la resistencia a la compresión y el acero proporcionando la resistencia a la tracción.

Ventajas del hormigón armado

  1. Fuerza compresiva. El hormigón armado tiene una alta resistencia a la compresión en comparación con otros materiales de construcción..
  2. Fuerza de Tensión. Debido al refuerzo proporcionado, El hormigón armado también puede soportar una buena cantidad de tensión de tracción..
  3. Resistente al fuego. El hormigón tiene una buena capacidad para proteger las barras de acero de refuerzo del fuego durante períodos prolongados.. Esto gana tiempo para las barras de refuerzo hasta que se extingue el fuego..
  4. Materiales de origen local. La mayoría de los materiales necesarios para producir hormigón se obtienen fácilmente a nivel local., lo que convierte al hormigón en una opción popular y rentable.
  5. Durabilidad. El sistema de construcción de hormigón armado es más duradero que cualquier otro sistema de construcción..
  6. Moldeabilidad. Concreto reforzado, como material fluido al principio, se puede moldear económicamente en una gama casi ilimitada de formas.
  7. Bajo mantenimiento. El hormigón armado está diseñado para ser resistente, utilizando materiales de bajo valor como arena y agua que no requieren un mantenimiento extenso. El hormigón está destinado a encerrar la barra de refuerzo por completo de modo que la barra de refuerzo no se altere. Esto hace que el costo de mantenimiento de las estructuras de hormigón armado sea muy bajo..
  8. En estructura como zapatas, presas, muelles, etc.. El hormigón armado es el material de construcción más económico..
  9. Rigidez. Actúa como un miembro rígido con mínima deflexión. Una deflexión mínima es buena para la capacidad de servicio de los edificios..
  10. La facilidad de uso. Comparado con el uso de acero en estructura., Se puede utilizar mano de obra menos calificada en la construcción de estructuras de hormigón armado..

Desventajas del hormigón armado

  1. Almacenamiento a largo plazo. El hormigón no se puede almacenar una vez mezclado, ya que el cemento reacciona con el agua y la mezcla se endurece.. Sus ingredientes principales deben almacenarse por separado..
  2. Hora de curar. El hormigón tiene un período de curado de treinta días.. Este factor afecta mucho en el cronograma de construcción del edificio.. Esto hace que la velocidad de montaje del hormigón colado in situ sea más lenta que la del acero., sin embargo, Esto se puede mejorar enormemente con el uso de hormigón prefabricado..
  3. Costo de formularios. El costo de las formas utilizadas para fundir RC es relativamente mayor..
  4. Mayor sección transversal. Para un edificio de varios pisos, la sección de columna de hormigón armado (RCC) es más grande que la sección de acero ya que la resistencia a la compresión es menor en el caso de RCC.
  5. Contracción. La contracción provoca el desarrollo de grietas y pérdida de resistencia.

Comparación entre madera, acero y hormigón.

Figura 2. Un ejemplo típico de hormigón armado

Madera

La madera es orgánica, material higroscópico y anisotrópico. Es termal, acústico, eléctrico, mecánico, estético, trabajando, etc.. las propiedades son muy adecuadas para su uso es posible construir una casa cómoda usando solo productos de madera. Con otros materiales, es casi imposible. La madera es, obviamente, una elección común e histórica como material de ingeniería estructural.. sin embargo, en las últimas décadas, ha habido un alejamiento de la madera a favor de productos de ingeniería o metales como el aluminio.

Ventajas de la madera

  1. Fuerza de Tensión. Por ser un material de construcción relativamente ligero, la madera supera incluso al acero en cuanto a longitud de rotura (o longitud autoportante). Simplemente pon, puede soportar mejor su propio peso, lo que permite espacios más grandes y menos soportes necesarios en algunos diseños de edificios.
  2. Resistencia eléctrica y térmica. Tiene una resistencia natural a la conducción eléctrica cuando se seca al contenido de humedad estándar. (MC) niveles, generalmente entre 7%-12% para la mayoría de las especies de madera. Su resistencia y dimensiones tampoco se ven afectadas significativamente por el calor., Proporcionar estabilidad al edificio terminado e incluso implicaciones de seguridad para ciertas situaciones de incendio..
  3. Absorción de sonido. Sus propiedades acústicas lo hacen ideal para minimizar el eco en espacios de vida o de oficina.. La madera absorbe el sonido, en lugar de reflejarlo o amplificarlo, y puede ayudar a reducir significativamente los niveles de ruido para mayor comodidad.
  4. De origen local. La madera es un material de construcción que se puede cultivar y volver a cultivar mediante procesos naturales y también mediante programas de replantación y gestión forestal.. La recolección selectiva y otras prácticas permiten que el crecimiento continúe mientras se cosechan árboles más grandes.
  5. Amigable con el medio ambiente. Uno de los mayores desafíos de muchos materiales de construcción., incluido el hormigón, metal, y plasticos, es que cuando se descartan, tardan un tiempo increíblemente largo en descomponerse. Cuando se expone a las condiciones climáticas naturales, la madera se descompondrá mucho más rápidamente y en realidad repondrá el suelo en el proceso.

Desventajas de la madera

La contracción e hinchazón de la madera es una de sus principales desventajas..

La madera es un material higroscópico.. Esto significa que absorberá los vapores condensables circundantes y perderá humedad al aire por debajo del punto de saturación de la fibra.. Otra desventaja es su deterioro.. Los agentes que causan el deterioro y destrucción de la madera se dividen en dos categorías: Biótico (biológico) y abiótico (no biológico). Los agentes bióticos incluyen hongos en descomposición y moho, bacterias e insectos. Los agentes abióticos incluyen el sol, viento, agua, ciertos químicos y fuego.

Madera en masa vs acero

Figura 3. Un marco estructural de madera / madera

Resumen

Para describir mejor el acero, hormigón y madera. Resumamos sus principales características que destacarían cada material.

Acero es muy fuerte tanto en tensión como en compresión y, por lo tanto, tiene una alta resistencia a la compresión y a la tracción. El acero tiene una resistencia máxima de aproximadamente 400 a 500 MPa (58 - 72.5 KSI). También es un material dúctil que cede o se desvía antes de fallar.. El acero destaca por su rapidez y eficiencia en la construcción. Su peso relativamente ligero y su facilidad de construcción permiten una fuerza laboral de aproximadamente 10 a 20% más pequeño en comparación con una estructura similar de hormigón que se está construyendo. Las estructuras de acero también tienen una excelente durabilidad.

Hormigón es extremadamente fuerte en compresión y, por lo tanto, tiene una alta resistencia a la compresión de aproximadamente 17 MPa a 28 MPa. Con resistencias superiores hasta o superiores 70 MPa. El hormigón permite diseñar edificios muy robustos y duraderos, y aprovechar su masa térmica manteniéndola dentro de la envolvente del edificio puede ayudar a regular las temperaturas interiores. También hay un uso creciente de prefabricados de hormigón en la industria de la construcción., que ofrece ventajas en términos de impacto ambiental, costo y velocidad de construcción.

Madera es resistente a las corrientes eléctricas, convirtiéndolo en un material óptimo para el aislamiento eléctrico. La resistencia a la tracción es también una de las principales razones para elegir la madera como material de construcción.; sus cualidades notablemente fuertes lo convierten en la elección perfecta para materiales de construcción de alta resistencia, como vigas estructurales. La madera es mucho más ligera en volumen que el hormigón y el acero., es fácil de trabajar y muy adaptable in situ. Es duradero, produce menos puentes térmicos que sus contrapartes e incorpora fácilmente elementos prefabricados. Su rendimiento estructural es muy alto y su resistencia a la compresión es similar a la del hormigón.. A pesar de todos estos, La madera se usa más ampliamente para estructuras residenciales y de poca altura.. Rara vez se utiliza como material principal para estructuras de gran altura..

Estos son los materiales de construcción más utilizados para la construcción.. Cada material tiene su propio conjunto único de ventajas e inconvenientes.. Eventualmente, estos pueden ser reemplazados por materiales que tienen muy pocas o ninguna limitación con los avances tecnológicos en el futuro.. Independientemente, Nuestros materiales de construcción actuales seguirán siendo relevantes durante muchas décadas..