UNIVERSIDAD DE ORIENTE

NÚCLEO BOLÍVAR

ESCUELA DE CIENCIAS DE LA TIERRA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA GEOLOGICA

Prof. Bachiller.

Nathalia Orozco Andrés F. Lara C.I. 25.679.484

Ciudad Bolívar, Julio de 2016

RESISTENCIA

DEMATERIALES

INTRODUCCIÓN

En los cursos de estática se consideran los cuerpos indeformables, sin embargo en la realidad los cuerpos sufren deformaciones. La Resistencia de los Materiales analiza a los cuerpos como deformables, predice estas deformaciones y permite encontrar los materiales y dimensiones óptimos. Con la Resistencia de los Materiales se puede verificar la habilidad de los elementos para soportar las cargas a las que están sometidos y se pueden diseñar elementos seguros y baratos.

Entonces en lo posterior se consideran a todos los cuerpos no rígidos sino elásticos, es decir, que cualquier carga producirá en ellos deformaciones que en magnitud son pequeñas comparadas con las dimensiones globales del cuerpo.

RESISTENCIA DE MATERIALES

La resistencia de materiales es el estudio de las propiedades de los cuerpos sólidos que les permite resistir la acción de las fuerzas externas, el estudio de las fuerzas internas en los cuerpos y de las deformaciones ocasionadas por las fuerzas externas.

A diferencia de la Estática, que trata del estudio de las fuerzas que se inducen en las diferentes componentes de un sistema, analizándolo como cuerpo rígido, la Resistencia de Materiales se ocupa del estudio de los efectos causados por la acción de las cargas externas que actúan sobre un sistema deformable.

Material

En el ambiente de la construcción, un material puede ser un bloque de materia o un componente que se utiliza para edificar ya sea un edificio o cualquier otra construcción.

En este ámbito se consideran materiales aquellos componentes que permiten construir o reparar algo; entre los fundamentales se encuentran los ladrillos, arena, vigas y las herramientas que se utilizan para realizar el trabajo; es decir todo aquello sin lo cual no se podría realizar la labor. Se incluyen a su vez en este conjunto, las maquinarias utilizadas.

El uso que se le da al término en la ingeniería, define a los materiales como sustancias con cualidades útiles que pueden ser térmicas, mecánicas o de otra clase.

¿Qué son materiales sólidos?

Un cuerpo sólido (del latín solĭdus) es uno de los cuatro estados de agregación de la materia más conocidos y observables (siendo los otros gas, líquido y el plasma). Se caracteriza porque opone resistencia a cambios de forma y de volumen. Sus partículas se encuentran juntas y correctamente ordenadas. Las moléculas de un sólido tienen una gran cohesión y adoptan formas bien definidas. Existen varias disciplinas que estudian los sólidos:

La física del estado sólido estudia de manera experimental y teórica la materia condensada, es decir, de líquidos y sólidos que contengan más de 1019 átomos en contacto entre sí.1

La mecánica de sólidos deformables estudia propiedades microscópicas desde la perspectiva de la mecánica de medios continuos (tensión, deformación, magnitudes termodinámicas, &c.) e ignora la estructura atómica interna porque para cierto tipo de problemas esta no es relevante.

La ciencia de materiales se ocupa principalmente de propiedades de los sólidos como estructura y transformaciones de fase.

La química del estado sólido se especializa en la síntesis de nuevos materiales.

Materiales sólidos

Los materiales utilizados para construir sólidos con función resistente son muy diversos. Se emplean desde materiales que se encuentran en la naturaleza como la madera o la piedra, hasta los más modernos elaborados por el hombre, como los materiales reforzados con fibras o el acero y aleaciones metálicas. En estructuras de edificación e industriales, los materiales más utilizados son el acero y el hormigón.

El acero es un producto industrial obtenido a partir de mineral de hierro, mediante sucesivos procesos de extracción y refinado (alto horno, convertidor... etc). El acero es básicamente hierro con una proporción de carbono menor que el 2% (el hierro con mayor proporción de carbono suele denominarse “fundición”, y presenta propiedades distintas). El acero para estructuras es “acero extradulce”, de bajo contenido en carbono (del orden del 0.2%).

El hormigón consiste en una mezcla de cemento con áridos (arena, grava...), y agua, y frecuentemente otros materiales (aditivos) adicionales. Tras un ciento tiempo de fraguado y endurecimiento (típicamente 28 días), adquiere sus propiedades nominales de resistencia. Las vigas y columnas de hormigón para estructuras suelen ejecutarse con barras de acero convenientemente embebidas en el interior, a modo de armado, debido a que el hormigón por sí mismo no tiene apenas capacidad de resistir tracciones. Por tanto, en condiciones normales de servicio, el hormigón y sus armaduras de acero constituyen un material fuertemente no homogéneo, circunstancia que aconseja abordar su estudio tras haber comprendido el comportamiento de un material homogéneo.

La normativa vigente relativa al hormigón está recogida en la instrucción EHE, que es una norma aparte del CTE, y no está incluida en éste. La mayoría de las estructuras de otros materiales (acero, madera, fábrica de ladrillo, etc), así como otros aspectos del servicio de la estructura (cargas, cimentación, salubridad, etc), sí están recogidos y reglamentados en el CTE.

La madera merece aquí al menos una breve mención como material estructural. Su moderna ejecución en forma de apilados de tablas (no en bruto, sino en forma de laminados), le confiere características muy interesantes en cuanto a resistencia, homogeneidad del producto y predectibilidad de comportamiento frente a acciones como el fuego, o las propias cargas de uso de la estructura.

Características de los solidos

Elasticidad: Un sólido recupera su forma original cuando es deformado. Un resorte es un objeto en que podemos observar esta propiedad ya que vuelve a su forma original.

Fragilidad: Un sólido puede romperse en muchos fragmentos (quebradizo).

Dureza: Hay sólidos que no pueden ser rayados por otros más blandos. El diamante es un sólido con dureza elevada.

Forma definida: Tienen forma definida, son relativamente rígidos y no fluyen como lo hacen los gases y los líquidos, excepto bajo presiones extremas del medio.

Alta densidad: Los sólidos tienen densidades relativamente altas debido a la cercanía de sus moléculas por eso se dice que son más “pesados”

Flotación: Algunos sólidos cumplen con esta propiedad, solo si su densidad es menor a la del líquido en el cual se coloca.

Inercia: es la dificultad o resistencia que opone un sistema físico o un sistema social a posibles cambios, en el caso de los sólidos pone resistencia a cambiar su estado de reposo.

Tenacidad: En ciencia de los Materiales la tenacidad es la resistencia que opone un material a que se propaguen fisuras o grietas.

Maleabilidad: Es la propiedad de la materia, que presentan los cuerpos a ser labrados por deformación. La maleabilidad permite la obtención de delgadas láminas de material sin que éste se rompa, teniendo en común que no existe ningún método para cuantificarlas.

Ductilidad: La ductilidad se refiere a la propiedad de los sólidos de poder obtener hilos de ellas.

Formas estructurales básicas

En cuanto a su geometría, podemos clasificar las formas estructurales de acuerdo con el siguiente esquema:

Como se ha apuntado, la forma de barra recta es la más ampliamente utilizada en las estructuras de todo tipo, y será a la que prestemos especial atención en este curso. Su geometría es la engendrada por una superficie plana que llamaremos “sección” o “perfil” de la barra, al desplazarse a lo largo de un segmento de recta perpendicular a ella, que llamamos “directriz” de la barra. Entendemos por viga (fig 1.1a) aquella barra que está sujeta en algunos (pocos) puntos, y que soporta cargas transversales a ella, situadas en otros puntos. Por columna (fig 1.1b) entendemos aquella barra que soporta cargas fundamentalmente longitudinales con su eje. Frecuentemente se reserva el calificativo de columna para las barras verticales de las construcciones de edificación, que suelen trabajar de la manera indicada, en concreto a compresión (no a tracción). Las “armaduras” (fig 1.1e) son estructuras metálicas de barras muy ligeras y esbeltas, como las que suelen formar el cuerpo de las grandes grúas (para obra civil o urbana, portuarias, etc), y los esqueletos resistentes de las cubiertas de muchas naves industriales, polideportivos, etc. Las barras de las armaduras, por cómo están diseñadas y montadas, en general sólo admiten cargas longitudinales con la propia barra, siendo en ese sentido parecidas a las columnas. Pero por una parte, estas barras para armaduras suelen ser mucho más esbeltas, y por otra parte pueden trabajar a tracción o a compresión. Su gran esbeltez las hace especialmente propensas a sufrir fenómenos de inestabilidad, y su montaje y puesta en servicio difiere mucho del de las columnas, por lo que se estudian por separado.

Las vigas curvas se utilizan generalmente debido a exigencias de la funcionalidad que debe prestar el elemento resistente, aunque en ocasiones obedecen a criterios estéticos. Algunos semáforos de tráfico, cuyo soporte tiene directriz curva, constituyen un ejemplo sencillo de viga curva. La exigencia de funcionalidad es, en este caso que las luces del semáforo cuelguen del centro de la carretera sin que el soporte obstaculice el tráfico.

Una viga de sección variable se proyecta generalmente con la intención de aprovechar mejor el material. La idea básica es poner sección más gruesa donde la solicitación va a ser mayor. La ejecución de una viga de sección variable es más complicada -y por lo tanto cara-, que una de sección constante. Este es un factor que puede contrarrestar fácilmente el ahorro de material, y que debe ser sopesado al considerar elementos de este tipo.

Un arco tiene una geometría similar a la de una viga curva, por lo que conviene enfatizar la diferencia entre ambos: el arco tiene su curvatura y sus apoyos diseñados de modo que, para el estado de carga previsto, trabaje a compresión en todos sus puntos. Esto permite realizar arcos en materiales que no resisten tracción, como pueden ser la piedra o el hormigón, e incluso formar el arco con piezas que no presenten cohesión entre sí (sillería). Por el contrario, en una viga curva se cuenta con que habrá tracción en muchos de sus puntos. Es evidente que el diseño de un arco debe ser especialmente cuidadoso, ya que la aparición indeseada de tracciones puede arruinar fácilmente el arco. Muchas catedrales góticas y románicas tienen magníficos ejemplos de arcos realizados en piedra.

Los cables (fig 1.1d), al contrario que los arcos, no pueden soportar otra cosa que no sea tracción. Su geometría se adapta de forma natural a las cargas para que ello resulte así. En estructuras convencionales, el cable suele usarse en forma de tirante, es decir para intentar mantener la distancia entre dos puntos de la estructura que de otro modo tenderían a separarse entre sí. En esos casos el cable recibe las acciones por sus extremos, y adopta una geometría recta.

Una membrana puede entenderse como “un cable con una dimensión más”: no presenta resistencia a ser doblada y no puede soportar compresiones (al igual que el cable). Un ejemplo familiar de membrana es la tela que forma un globo aerostático. En estructuras habituales, las membranas son escasamente usadas como elemento resistente.

Una placa (fig 1.1c) puede entenderse “como una viga recta con una dimensión más”. Al igual que las vigas, presenta resistencia a ser curvada, y típicamente está sustentada en algunos puntos mientras soporta acciones transversales a la placa en otros puntos. Un ejemplo familiar de placa es el tablero de una mesa, o también la plancha de acero que se suele poner en las calles sobre una zanja (realizada normalmente para operaciones de mantenimiento), para que puedan continuar pasando vehículos por encima. El suelo (“forjado”) entre plantas de un edificio no es un buen ejemplo de placa, debido a su construcción con vigas y direcciones preferentes (“forjado unidireccional”). Un suelo construido a base de un emparrillado de vigas (“forjado bidireccional”) podría asimilarse más a una placa.

Una lámina puede entenderse “como una viga curva con una dimensión más”. Tiene en común con las placas todas sus características, salvo que su geometría no es plana sino alabeada. El típico ejemplo de lámina lo constituye la chapa de la carrocería de un automóvil bajo la carga aerodinámica, o bajo la acción accidental

de un peso (una persona apoyada o sentada sobre la chapa, etc).

TIPOS DE APOYOS DE LAS BARRAS

Los apoyos de una estructura son cuerpos que conectan una estructura con otra o con el suelo de fundación. Ellos son de tres tipos: móviles, fijos y empotramientos. La superficie de contacto o de apoyo puede ser horizontal, vertical o inclinada.

Apoyos MóvilesLos apoyos móviles, también conocidos como rodillos, son los apoyos más

simples y ellos ofrecen una sola respuesta o restricción al movimiento de la estructura frente a las fuerzas que actúan sobre ella. Esta reacción o respuesta es siempre perpendicular a la superficie del apoyo o de contacto y la dirección de la reacción puede estar dirigida hacia la superficie o saliendo de ella. En la figura 6, se muestra el esquema que representa al apoyo móvil.

Apoyo Móvil o Rodillo

Apoyos FijosLos apoyos fijos, también conocidos como articulación, son el segundo tipo

de apoyos y junto con los apoyos móviles son los más empleados en las estructuras isostáticas. Los apoyos fijos ofrecen dos tipos de restricciones al movimiento de la estructura y sus reacciones son paralelas y perpendiculares a la superficie de contacto. El sentido de la respuesta va a estar dirigido siempre en las

direcciones paralelas y perpendiculares a la superficie de apoyos hacia donde lo seleccione el analista o de quien realice el análisis del elemento estructural.  En la Figura 7, se muestra el esquema que representa al apoyo fijo.

Apoyo Fijo o Articulación

Tipos de carga

Cargas Axiales de Tracción o Compresión

Una barra recta está sometida a cargas de tracción o compresión sometida a fuerzas paralelas a su eje centroidal. Dependiendo si la carga tiende a estirar o a comprimir la pieza, la carga será de tracción o compresión.

Cargas Tangenciales o de Corte

Un cuerpo está sometido a cargas tangenciales o de corte cuando sus caras o secciones internas soportan fuerzas tangenciales.

Cargas de Torsión

Una barra está sometida a cargas de torsión cuando en sus extremos están aplicados momentos con dirección paralela al centroidal.

Cargas de Flexión

Una viga está sometida a cargas de flexión cuando soporta fuerzas y momentos con dirección perpendicular a su eje centroidal.

Cargas Combinadas

Los cuerpos y elementos bajo condiciones de carga reales presentaran la combinación de los anteriores tipos de carga. En el presente texto inicialmente se analizaran los tipos de carga individual separadamente El cómo combinar los diferentes tipos de carga, se analizar posteriormente.

MATERIALES HOMOGÉNEOS Y HETEROGÉNEOS (ISÓTROPOS)

Los materiales se consideran homogéneos: esto quiere decir que se hace caso omiso de las variaciones de composición que de punto a punto de los mismos tienen los materiales reales.

Los materiales se consideran isótropos: significa que en los análisis generales no se tienen en cuenta las diferencias de propiedades en distintas direcciones del material. O sea que se supone que sus propiedades son iguales en todas las direcciones. (iso: igual, tropos: dirección).

CONCLUSIÓN

Es sin duda impresionante la manera en la que han evolucionado los materiales y

lo importante que es conocer sus propiedades no tan solo físicas o mecánicas sino

también a otro nivel como bien podría ser a nivel atómico ya que de esto depende

en buena parte el comprender como habrá de comportarse un material en ciertas

condiciones y de esa manera conjeturar algunas características como su dureza o

su resistencia a algunos esfuerzos, tener conocimiento sobre Resistencia de los

Materiales ha resultado de mucho provecho para cada uno de nosotros los

alumnos de ingeniería, hemos aprendido como conocer a los materiales por sus

propiedades así como por su tipo, sus estructuras internas y externas, conocer

nuestro entorno es sumamente importante y poder aprovecharlo y modificarlo nos

dará mayor comodidad y también una mayor economía en base al

aprovechamiento que del obtengamos, podemos sin lugar a dudas decir que los

materiales forman una parte importante de la sociedad actual, a donde usted mire

encontrara diversos materiales en sus miles de formas y modificaciones que

el hombre, el ingeniero ha hecho con el único propósito de sacar mayor ventaja y

poder adaptar su medio a las circunstancias requeridas en su momento, la

sociedad cambia y con ella sus necesidades de toda índole, la industria evoluciona

constantemente al igual que la ciencia, gracias a estos cambios podemos ir

adelantes y no ser víctima de la estática, hay cambios, hay dinámica, pero esto

exige cambios, tan necesarios y grandes como se desean, quizás hasta se

requería cambios sociales, cambios de actitud y quizás hasta cambios de

estructuras económicas y gubernamentales. La industria ha mejorado y

progresado a pasos acelerados durante las últimas tres décadas, el uso de los

aceros y toda clase de metales se ha hecho mucho más común en las sociedades,

la industrialización ha exigido el uso de más y mejores materiales para su

desarrollo, hoy tenemos cubierta la mayoría de esas necesidades, pero falta

mucho por recorrer, realmente no sabemos hacia donde la sociedad con sus

industrias, su ciencia y su tecnología vayan, lo que sí sabemos es que tenemos

que ser conscientes de los cambios y prepararnos para ellos.

Bibliografía

http://www.eis.uva.es/reic/jc/IQweb/Docs_varios/apuntes_RMgrado.pdf

http://definicion.de/material/

http://www.cartagena99.com/recursos/otros/apuntes/Resistencia_de_Materiales_Aplicada.pdf

https://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_de_materiales

http://www.bdigital.unal.edu.co/5855/1/jorgeeduardosalazartrujillo20072_Parte1.pdf

https://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3lido