CONOCIMIENTO DE LOS MATERIALES Y DE LOS SISTEMAS CONSTRUCTIVOS

¿ CÓMO ELEGIR UN SISTEMA, UN MATERIAL, UNA TÉCNICA ?
Los diversos tipos de materia tienen diferentes propiedades que los hacen adecuados para fines distintos. El plástico de una manguera es flexible, para que pueda doblarse y apuntar en cualquier dirección, en cambio el de una silla es más rígido. Los anteojos de leer son transparentes, y los de sol más opacos y filtrantes, deben dejar pasar algo de luz visible, pero no rayos UV.
Cada vez es mayor la cantidad de tecnologías disponibles, y de materiales. También de información, mucha veces capciosa, artificiosa, y que oculta o disfraza parte de la verdad.  Cómo elegir las más convenientes?

A la hora de seleccionar lo más adecuado para una determinada aplicación, hay que tener en cuenta diversos factores, como por ejemplo el trabajo que van a desarrollar la/s pieza/s, su resistencia, el medio o atmósfera en la que se va a encontrar y el procedimiento de conformado mediante el cual se le dará la forma definitiva. Por lo tanto, el conocimiento de las propiedades de los distintos grupos de materiales y sistemas y de las maneras en que se pueden mejorar es fundamental para determinar cuál es el más apropiado. Más actualmente, en que existen tantos tipos de plásticos, por ejemplo.

Existen varios tipos de propiedades:
Sensoriales; mecánicas; eléctricas, magnéticas; térmicas; químicas; tecnológicas; ecológicas...
Pasamos revista a cada una, y nos detenemos en la Elasticidad y Plasticidad, explicando la Ley de Hooke...



PROPIEDADES SENSORIALES
Las propiedades físicas sensoriales se perciben mediante los sentidos y brindan una primera apreciación de determinado material, ya que definen la apariencia que éste tiene.

Entre las más comunes se encuentran las siguientes:

MORFOLOGÍA: Relacionada con la forma y las dimensiones en que existen, se fabrican y se reciben los materiales. Influyen en sus aplicaciones, obligando en algunos casos a colocarlos en un gran número de piezas pequeñas, unidos o no; o a cortarlos, a triturarlos, a tamizarlos, etc.
Recordemos que en el espacio hay tres dimensiones (largo, alto y espesor), pero una cuarta dimensión es el tiempo, que va alterando la apariencia y dimensiones, y se debe tener muy en cuenta cómo va a subsistir y envejecer determinado material al cabo de varios años.

ACABADO SUPERFICIAL Y TEXTURA: Nos informan si la superficie de la pieza es áspera o pulida.
La TEXTURA es la manera en la que se distribuyen por tamaños las partículas de cualquier material, sobre todo las superficiales. Su determinación precisa ha de hacerse mediante el correspondiente análisis, pero con cierta experiencia pueden distinguirse varios tipos texturales. En un suelo, lo más interesante es la comparación del comportamiento de los diferentes horizontes o estratos (capas en un corte horizontal), para lo cual no es necesaria una gran experiencia sino capacidad de observación.

CARACTERÍSTICAS ÓPTICAS: Son la transparencia, traslucidad, opacidad, la luminiscencia ante una excitación térmica o eléctrica, color, brillo, etcétera.

CARACTERÍSTICAS ACÚSTICAS: Corresponden a la sonoridad que posee el material (“seco”, metálico, vibrante... )

PROPIEDADES MECÁNICAS: De importancia para la “Estabilidad de las Construcciones”, están relacionadas con el comportamiento de los materiales bajo la acción de fuerzas externas.
Las que nos interesan son: isotropía; resistencia; elasticidad; rigidez; tenacidad...

Como introducción, tomo un párrafo del tratado ”Forma, Espacio y Orden”, de F. Ching, editorial Gustavo Gili (G.G.), el que recomiendo por la calidad de sus textos y dibujos. Está en biblioteca:

Proporción de los materiales:
“ Todos los materiales constructivos tienen distintas propiedades de rigidez, dureza y durabilidad, y todos ellos tienen una resistencia final más allá de la cual no pueden estirarse sin fracturarse, romperse o destruirse. Dada la fuerza de la gravedad, para su uso todos los materiales también poseen unas dimensiones racionales que no deben superarse. Por ejemplo, una losa de 0,10 m de espesor y 2,50 m de largo ofrece garantías suficientes para soportar su propio peso entre dos puntos de apoyo. Pero si cuadruplicamos sus dimensiones, o sea 0,40 m de espesor y 10,00 m de longitud, su peso probablemente la rompería. Incluso un material tan resistente como el acero tiene unas longitudes que no puede sobrepasar sin superar su máximo permisible.
De igual modo, cualquier material se coloca teniendo en cuenta proporciones racionales que vienen dictadas por sus propiedades intrínsecas (propias) de resistencia, fragilidad, etc.”.

ELASTICIDAD: Propiedad opuesta a la plasticidad; la tienen los materiales que deformados por una fuerza recuperan forma y dimensiones cuando la fuerza desaparece. En realidad no existen materiales perfectamente plásticos o elásticos.
En los elásticos a medida que aumentan las tensiones σ1;σ2; lo hacen las deformaciones ε1; ε2; hasta un punto A; si descargamos, el diagrama de retroceso recorre la misma curva OA – AO (ver diagrama).
A partir de ese punto el material presenta deformaciones permanentes e irreversibles, entramos en el período plástico.

PLASTICIDAD: Capacidad de mantener la forma que se adquiere, al cesar de estar sometido al esfuerzo que lo deformó.
Por ejemplo una botella al moldearla.

Ley de Hooke o de Proporcionalidad:Existe cierta relación entre la deformación y el esfuerzo. Ello llevó al matemático Hooke a sentar la Ley de la Proporcionalidad o Ley de Hooke, base de la Resistencia de Materiales, y fundamental en la Estática de las Construcciones, junto con la teoría de la Elasticidad. Ella dice que para algunos materiales y hasta cierto límite las deformaciones son proporcionales a las tensiones.
Esto lo veremos más claramente al estudiar y ensayar el acero, usado en las estructuras de hormigón armado, perfiles, etc. En él, hasta el límite de elasticidad los alargamientos son débiles y elásticos, coincidiendo casi exactamente con el de proporcionalidad, hasta donde se cumple la citada Ley.
Pero otros materiales, como el hormigón, no tienen prácticamente períodos elásticos proporcionales, o sea las deformaciones son permanentes y la rotura es frágil, se quiebra, no ”avisa”.

Como vemos en el dibujo, en una primera fase, hasta el punto A, el diagrama es una recta, donde la tensión σ1 es a la deformación ε1 como σ2 es a ε2, etc, o sea estamos en el período proporcional, además de elástico. El límite elástico proporcional es una medida de la resistencia elástica, la máxima tensión que soporta sin desviarse de la proporcionalidad entre tensiones y deformaciones. Hasta ahí se cumple la Ley de Hooke.
Pasado ese punto, entramos en el período plástico, donde deja de cumplirse la Ley de Hooke, y ya no hay proporcionalidad entre las tensiones y las deformaciones, a una cierta fuerza corresponde una deformación cada vez mayor, hasta romperse.
σ1 A
0 e1 e2 e (épsilon)

Módulo de elasticidad de Youg (E): Es la relación entre tensiones y deformaciones, y da idea de la resistencia que ofrece el material a ser deformado. Cuanto más elevado sea E, más resistente va a ser.
E = σ / ε Las deformaciones, con respecto al tiempo, pueden ser instantáneas, al aumentar las cargas se incrementan, al detenerse cesan. Otros materiales como la madera y el hormigón siguen deformándose sin incremento de la carga. A esto se lo llama “creep”, o deformación retardada. Puede aparecer luego de un cierto tiempo y durar meses y aún años, y luego estabilizarse. Es el caso de estructuras sometidas a flexión, en las cuales sin variación de la carga, se produce un aumento de la flecha. Lo vemos en fisuras de ochavas en voladizo en las que cedió la viga, luego de un cierto tiempo, o en un estante de madera.
Por lo tanto en el diseño estructural se debe sobredimensionar, para bajar las tensiones.
No debe confundirse rigidez del material con rigidez de la estructura; la primera es intrínseca del material y no depende de la forma; la segunda varía con la forma y disposición de las secciones. Se pueden hacer estructuras deformables con materiales rígidos, como los elásticos de los autos antiguos, hechos con acero, que tiene uno de los módulos de elasticidad (que está en relación con la rigidez) más altos; y estructuras muy rígidas con materiales de módulo bajo, plegando, poniendo muchas piezas juntas, etc.

Una disposición inteligente de la masa logra que un material y/ o una estructura tengan mucha más resistencia.
Las podemos llamar estructuras de masa activa. Por ejemplo en un viga, si la realizamos de hormigón armado, como éste está compuesto de dos materiales de diferente pero complementario comportamiento (el hormigón resiste bien esfuerzos de compresión pero no de tracción, mientras que las barras de acero resisten altas tensiones de tracción), lo lógico será que se dispongan esos materiales según sus cualidades. Esto da origen a las vigas placas, en T o en L, en las que, al estar sometidas a flexión, se coloca la mayor masa de hormigón en la parte superior (compresión), y las barras de acero principales en la inferior (tracción) recubiertas y vinculando todo, lógicamente, por hormigón. (Se entiende que estamos hablando de una viga entre dos puntos de apoyo, con carga superior).
Si las construyéramos en acero, como éste resiste bien tanto tensiones de compresión como de tracción (siempre que tenga suficiente sección, porque sino pandea, o sea flexiona o se dobla), y los elementos tienen mayor resistencia cuanto más alejadas estén sus masas del eje neutro, y además la altura tiene mayor influencia en la resistencia que la base, pues según la fórmula de módulo resistente la altura aumenta al cuadrado y la base linealmente, como veremos más adelante, la forma lógica es una viga doble T.

Eje neutro
Viga doble T Viga Placa


Las deformaciones que sufren los cuerpos dentro de los límites en los cuales se com¬portan como elásticos, son en general consi¬derablemente menores que las que adquie¬ren cuando empiezan a comportarse como cuerpos plásticos.
En general, la utilización de los materiales resistentes en las construcciones se realiza en condiciones tales que las cargas o fuerzas que sobre los mismos actúan no superen las condiciones establecidas para que actúen como elásticos, dejando un determinado margen de seguridad para circunstancias imprevistas. (Por ejemplo los momentos se “mayoran” por un coeficiente de seguridad).

DUREZA: Resistencia a ser penetrado por otro cuerpo, o a ser rayado. Tiene que ver con la resistencia al desgaste contra los agentes abrasivos.
Existe una escala, de Mohs, donde se clasifican distintos materiales, del diamante al yeso. Cuánto más alto está en la escala, más duro es. Cada uno raya a todos los que están abajo. La dureza de otros se determina por comparación. Así el cobre tiene una dureza de 2,5, es bastante blando.

DUCTILIDAD: Los materiales dúctiles son aquellos que pueden ser estirados y conformados en hilos finos.
Se debe a que sus partículas no están unidas rígidamente, sino que pueden deslizarse unas con otras, como el cobre.

MALEABILIDAD: Capacidad de un material para ser conformado en láminas delgadas sin romperse.

RESILIENCIA: Resistencia a un golpe brusco e intenso (choque).

TENACIDAD: Resistencia a la rotura cuando está sometido a esfuerzos lentos de deformación.

FRAGILIDAD: Facilidad con que se rompe un material sin que se produzca deformación elástica.

TRABAJABILIDAD: Posibilidad de ser un material “trabajable”, moldeable, dócil, como el hormigón fresco y otras mezclas; las maderas como el roble y cedro, etc.

RESISTENCIA A LA FLUENCIA: Hay materiales que siguen deformándose, fluyendo, a pesar de haber cesado la fuerza. Ej: la plastilina, un pegamento. Los sólidos duros tienen buena resistencia a seguir deformándose, pero las tablas de madera, como vimos, con el tiempo pueden hacerlo (creep).

RES. A LA FATIGA: Resistencia contra esfuerzos fluctuantes. Un ejemplo es éste: Al mover un alambre repetidas veces el cuerpo se calienta, o sea que al hacer ese trabajo, parte de la energía produce la deformación, y parte se “pierde”, se libera, se dispersa, en forma de calor.
Al ejercer una fuerza menor pero repetida, el material se “fatiga”, el cuerpo se va debilitando y al final se rompe: se produce un trabajo mecánico.


ISOTROPÍA: Propiedad de tener igual comportamiento elástico en cualquier dirección de la solicitación. Si alterando la dirección el comportamiento varía, el material es anisótropo.
La madera, por ser un material fibroso y con clara dirección longitudinal, hace que tenga la mayor resistencia en esa dirección, la de las vetas. Es anisótropo. Esto obliga a un uso acorde con este principio: por ejemplo, los tirantes se cortan en ese sentido. El acero y los plásticos son, en cambio, isótropos.

PESO ESPECÍFICO: Es el peso del material por (o mejor dicho sobre) la unidad de volumen, o sea la relación entre el peso y el volumen. Generalmente como unidades de éste se toma el cm3, el dm3 o el m3. Para peso usaremos el Kg, aunque en realidad ésta es una unidad de masa, lo correcto es el Kg fuerza, o el Newton, en el Sistema Internacional.
Pe ( g ) = P / V = Kg / cm3; ton / m3 ...

Tiene que ver con un principio o ley que enunció un sabio de la antigua Grecia, Arquímedes :
»Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen desalojado ».
Cuando el peso del cuerpo (en relación al volumen) es mayor que el empuje, el cuerpo se hunde. Si es menor flota, y si es igual, permanece en equilibrio en el seno del fluido.

El volumen puede medirse de distintas formas: Si es estrictamente el volumen de la sustancia es el volumen real; si tiene poros o es granular, tendrá una parte de materia (Vr) y una gran parte de espacios ocupados por aire (Ev: espacios vacíos, aunque no son estrictamente vacíos, como lo comprobamos si inflamos un globo, el aire ocupa espacio).
La suma es el volumen aparente Va
Va = Vr + Ev
Pe real = P / Vr Pe ap. = P / Va

El peso a granel puede ser suelto o compactado, y su valor puede variar mucho. Para el cemento Pórtland a granel varía de 1000 a casi 2000 Kg/ m3, lo que tiene gran importancia en la dosificación de hormigones, porque al usar una dosificación por volumen sin fijar las condiciones de llenado de los recipientes, se obtienen grandes variaciones en la cantidad de cemento utilizado y como consecuencia en la resistencia.
El Pe real (sin vacíos) del cemento Pórtland es de alrededor de 3300 Kg / m3.

DENSIDAD: Está relacionada con el Pe pero no aluden a lo mismo. En física el término densidad es una magnitud referida a la cantidad de masa (que no depende de la fuerza de gravedad) contenida en un determinado volumen.
Es igual en la Tierra a nivel del mar o en la cima de una montaña, o en la Luna. El Pe no.

POROSIDAD – COMPACIDAD: Son propiedades opuestas. La primera requiere la existencia de material poroso, es decir de aquellos en que la masa envuelve las partes vacías, o que tienen espacios intersticiales. Porosidad es la relación entre los espacios vacíos y el volumen aparente. Compacidad es la relación entre el volumen real y el aparente.
Son propiedades importantes en las técnicas del aislamiento, relacionados con la permeabilidad.
Un material puede ser poroso, pero si esos poros están interconectados entre sí y con el exterior, formando una red capilar, será también permeable.

PERMEABILIDAD: Es la capacidad que presentan ciertos cuerpos para ser atravesados por fluidos (gases o líquidos). Nos interesan entre los gases, el aire y el vapor de agua; entre los líquidos, el agua y los hidrocarburos.
Para poder hablar de permeabilidad, es necesario que los cuerpos sean porosos (condición necesaria pero no suficiente), y sus poros comunicados entre sí y con los paramentos.
Hay cuerpos más o menos permeables a los gases pero impermeables a los líquidos, como el poliestireno expandido, la espuma de polietileno (Isolant, etc.), la membrana Tyvek (que se usa en las construcciones industrializadas de paneles, de color blanco) ; algunas pinturas y barnices ( para que la madera o la pared “respire”) ....
Otros en cambio son impermeables a ambos, (siempre que tengan suficiente densidad), actuando también como una barrera de vapor: el polietileno, el poliuretano (que también son muy buenos aislantes térmicos ); el asfalto, los metales...


PROPIEDADES ELÉCTRICAS: Las que definen a un material son la resistividad y la con¬ductividad:
• Resistividad ( ρ ) Es la medida de la oposición de un material al paso de la co¬rriente eléctrica.
Se mide según la cantidad de ohmios (Ω) que posee una porción de material de 1 cm2 por cada unidad de longitud.
Su expresión matemática es:
ρ = . Ω . cm2 / cm

• Conductividad eléctrica ( λ, lambda). Es la propiedad opuesta a la resistividad, es decir, mide la permisividad de un material al paso de los electrones y, por lo tanto, de la corriente eléctrica. Depende del número de electrones libres que po¬see el material. Su valor es 1 / ρ.

Los materiales más conductores de la electricidad lo son por lo general también del calor, en primer lugar la plata y el cobre, luego el aluminio y luego el acero. Los más resistentes al paso de la corriente eléctrica y por lo tanto al calor son la madera, el vidrio, la mica, el polietileno, la cerámica.

PROPIEDADES MAGNÉTICAS:
Representan los cambios físicos que se producen en un cuerpo que está sometido a un campo magnético exterior.
A veces nos interesa que los materiales no sean magnéticos, para que no se adhieran las partículas a su superficie, por ejemplo en las cañerías de conducción de agua.
En otros casos, buscamos materiales ferromagnéticos. Pueden adquirir un campo magnético in¬tenso en presencia de un campo exterior inductor, y que¬dan imantados. Esta propiedad se debe sobre to¬do a la estructura cristalina, muy ordenada, que crea zonas de dominio magnético.
Este grupo tiene aplicaciones en motores y generadores eléctricos, en amplificadores y memorias electrónicas, en cintas y discos magnéticos (CD), etc.

PROPIEDADES TÉRMICAS: Calor específico (Ce). Es el calor necesario para elevar un grado centígrado (1°C) la temperatura de una unidad de masa del material.
Su expresión mate¬mática es:
Ce = kcal/ °C . kg)

• Dilatación térmica. Señala la variabilidad de las dimensiones del material al cambiar su temperatura. Se expresa por un Coeficiente de dilatación, que puede variar según la forma de la pieza.

• Conductividad térmica (K). Es la intensidad con la que se transmite el calor en el seno de un material. Como ocurre con la corriente eléctrica, los portado¬res de calor son en este caso los electrones. Por lo tanto los buenos conductores térmicos son por lo general buenos conductores eléctricos.

• Temperatura de fusión. Es la temperatura a la cual un material pasa del esta¬do sólido al líquido como consecuencia de un aporte de calor.
Se puede decir que en un determinado momento hay un “salto de cantidad en cualidad”: A los 10, 50 ó 99 ° C, el agua permanece líquida, pero a los 100 ° C, pasa a ser vapor de agua, cambia de estado. Lo mismo al llegar a 0°, sigue siendo agua, pero cambia a estado sólido. se vuelve hielo.
En algunos casos no es tan claro ese “salto”, y da lugar a discusiones científicas y éticas: pensemos la disputa sobre cuándo se considera muerta una persona, o a partir de cuándo se es “persona” y la polémica sobre el aborto. También la edad para ser considerado mayor, la de inimputabilidad...
Esto tiene que ver con que en cada proceso existen segmentos desigualmente desarrollados: nosotros, en vida, tenemos células muertas, y al contrario una persona con encefalograma chato, sin actividad cerebral, puede seguir latiendo su corazón, y tener órganos “vivos”. Otro ejemplo: vivimos en un país capitalista, pero subsisten formas feudales e incluso semiesclavistas, junto con desarrollos de última tecnología y capital financiero altamente concentrado.

PROPIEDADES QUÍMICAS:
En Tecnología y Sistemas Constructivos nos interesa conocer las propiedades derivadas de una determinada composición, no tanto su fórmula química.
Así, en los aceros, la cantidad o tenor de carbono hace variar las propiedades, confiriendo más resistencia, pero también más fragilidad.
Las propiedades químicas fundamentales son la actividad y estabilidad química, y la corrosividad.
La estabilidad y actividad química define si determinada sustancia tiende a reaccionar o a descomponerse de manera espontánea al entrar en con¬tacto con otra o si, por el contrario, para que reaccione es necesaria una acción exterior. Si no reaccionan o lo hacen muy débilmente son estables.
• Los aglomerantes interesa que sean inestables, o activos antes de aplicar, así cohesionan los materiales inertes como los agregados, y estables luego. Aunque un cierto tipo de inestabilidad posterior puede resultar ventajosa: el hormigón sigue incrementando su resistencia en el tiempo, a medida que el agua va hidratando cada vez más las partículas de cemento. Al contrario, la reacción que pueden producir los cloruros, sulfatos, etc., en el agua de amasado es muy perjudicial. En cambio, los cloruros una vez endurecido el hormigón no afectan al cemento, pero sí a las estructuras de acero, por lo que no se puede usar aditivos con cloro (para acelerar el fragüe) en el hormigón armado.
El acero es bastante estable, pero en ambientes húmedos y sobre todo atmósferas salinas, desarrolla una acción indeseable y destructiva, la corrosión.
El aluminio, en cambio, se oxida recubriéndose con una película opaca que lo protege, es mucho más resistente a la corrosión, además de más liviano.

Corrosión o corrosividad: Todos los cuerpos se oxidan: una manzana, nosotros (se nos seca y arruga la piel, etc.) Pero la corrosión es la oxidación en una etapa avanzada, con deterioro de las propiedades. Es conse¬cuencia de la acción de agentes externos como el agua, el oxígeno, los ácidos, etc. Hay ataque y desprendimiento de material.
Puede deberse a reacciones químicas o no.