PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES

Semana 03
PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES
INTRODUCCION
En lo que corresponde a los materiales, es necesario indicar una gama muy amplia de
aplicaciones en el que hacer diario del hombre. En la selección de materiales con fines de
diseño se requiere conocer muchos factores que deben evaluarse como son la
resistencia, rigidez, ductilidad, peso, resistencia a la corrosión, capacidad de
maquinado, facilidad para trabajarse, soldabilidad, aspecto, costo, y disponibilidad.
RESISTENCIA.- Se define como la capacidad de un elemento de soportara carga, En lo
que corresponden a algunos metales casi siempre lo primero que se indican son la
Resistencia ultima a la tensión, o compresión y la resistencia a la cedencia o fluencia del
material; en la figura “curva esfuerzo deformación unitaria del acero” de un elemento
metálico con carbono a la tracion, se puede apreciar los siguientes partes:
Curva esfuerzo-deformacion unitaria del acero en traccion
LIMITE DE PROPORCIONALIDAD. A la ordenada del punto A, se le conoce por
límite de proporcionalidad, esto es, la máxima tensión que se puede producir durante un
ensayo de tracción simple de modo que la tensión sea función lineal de la
deformación. Cuando se descarga en este límite el material recobra su tamaño.
LIMITE ELÁSTICO. La ordenada de un punto que casi coincide con B se conoce por
límite elástico, esto es, la tensión máxima que puede producirse durante un ensayo de
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tracción simple de modo que no haya deformación permanente o residual cuando se
suprime totalmente la carga. Para muchos materiales son casi idénticos los valores
numéricos del límite elástico y del límite de proporcionalidad, por lo que a veces se
consideran sinónimos. En los casos en que es notoria la diferencia, el límite elástico es
casi siempre mayor que el de proporcionalidad.
ZONA ELASTICA. La región de la curva tensión-deformación que va desde el origen
hasta el límite de proporcionalidad.
ZONA PLASTICA. La región de la curva tensión-deformación que va desde el límite
de proporcionalidad hasta el punto de rotura.
LIMITE ELASTICO APARENTE O DE FLUENCIA. A la ordenada del punto C en
el que se produce un aumento de deformación sin aumento de tensión de lo conoce por
limite elástico aparente o limite de fluencia del material. Cuando la carga ha aumentado
hasta el punto C, se dice que se produce fluencia. Algunos materiales presentan en la
curva tensión-deformación dos puntos en los que hay aumento de deformación sin que
aumente la tensión. Se les conoce por límites de fluencia superior e inferior.
RESISTENCIA A TRACCIÓN. La ordenada del punto D, máxima de la curva, se
llama resistencia a tracción o, a veces, resistencia ultima del material.
RESISTENCIA DE ROTURA. La ordenada del ultimo punto E se llama resistencia de
rotura del material.
MODULO TANGENTE. A la pendiente de la tangente a la curva tensión-deformación
en el origen se la conoce por modulo tangente del material.
RIGIDEZ.-Se refiere a la capacidad de una estructura para resistir cambios de forma
(Al alargamientos, a la flexión, a la torsión o a la deformación lateral)
2
M
Modulo de elasticidad de diferentes metales a la tracion
Con frecuencia es necesario determinar cuanto se deformará un objeto bajo una carga,
para asegurar que la deformación excesiva no destruya su utilidad. Esto puede ocurrir a
esfuerzos muy inferiores a la resistencia de fluencia o cedencia del material, en especial
en miembros muy largos o en dispositivos de alta precisión. La rigidez del material es
una función de su modulo de elasticidad, al que a veces se le conoce como modulo de
Young
El modulo de elasticidad E, es una medida de la rigidez de un material, determinado
por la pendiente de al porción recta de la curva de esfuerzo deformación. Es la razón
de cambio de esfuerzo a cambio de la deformación correspondiente.
Por consiguiente, un material con una pendiente más pronunciada en su curva de
esfuerzo-deformación será más rígido y se deformara menos, bajo una carga que un
material que un material que tiene una pendiente menos pronunciada
E
esfuerzo


deformacion 
El diseño de los miembros característicos de carga de maquina y estructuras es tal, que el
esfuerzo queda debajo del limite proporcional; es decir en la recta de la curva de
esfuerzo-deformación en donde se cumple la Ley de Hooke.
DUCTILIDAD
Cuando los metales se rompen, su fractura puede clasificarse como dúctil o frágil, un
material dúctil se estira y cede antes de fracturarse, por lo que se origina una notoria
disminución en el área de la sección transversal, en la sección fracturada. Por otra parte,
un material frágil se fractura de repente con poco o ningún cambio en el área o sección
fracturada.
La ductilidad en los metales se mide generalmente durante la prueba de tensión
observando cuanto se ha alargado permanentemente el material luego de fracturarse.
3
Después de que la muestra se somete a tensión hasta fracturarse, las partes fracturadas se
juntan y nuevamente se mide la distancia entre las marcas. Con estos datos, se calculan
el porcentaje de alargamiento, como sigue.
Porcentajede  al arg amiento
LongituFinal  LongitudInicial
x100%
longitudInicial
Material dúctil es aquel que puede estirarse, deformarse o encogerse a un grado
significativo antes de fracturarse. Un metal que presenta un porcentaje de
alargamiento mayor del 5% se considera Dúctil.
Ejemplo el acero de bajo contenido en carbono
Material quebradizo es aquel que se fractura de súbito al someterse a carga, con poca
o ninguna deformación plástic.
Ejemplo el vidrio, el concreto, la mampostería, el ladrillo, la madera, hierro fundido,
acero rico en carbono, concreto; una característica de un material frágil es que su
esfuerzo ultimo en compresión tiene mayor magnitud que su esfuerzo ultimo en
tensión.
Todas las formas forjadas de aleaciones de acero y aluminio son dúctiles. Pero las
formas de alta resistencia tienden a tener una menor ductilidad, y el diseñador con
frecuencia se ve obligado a acomodar la resistencia y la ductilidad a la especificación de
un material.
MODOS DE FRACTURA.-En la mayoría de los diseños, un elemento de maquina o
miembro estructural se considera que ha fallado cuando:
1. Se rompe, es decir, el esfuerzo supera a la resistencia última del material.
2. El material se deforma plásticamente, es decir se ve sometido a un esfuerzo
mayor que su resistencia a la fluencia. Se verifica cuando la deflexion del
material es notorio en materiales dúctiles y en el fisuramiento en el caso de
elementos fragiles.
3. Ocurre una deformación elástica excesiva que hace que el miembro ya no sea
adecuado para su uso propuesto. Se verifica cuando la deflexion del material es
excesiva en materiales dúctiles y la rajadura de elentos estructurales en el caso de
elementos fragiles.
RELACION DE METALES, NO METALES Y SUS ALEACIONES
A continuación se hace una relación de las asociaciones industriales que se encargan de
establecer normas para la clasificación de metales y aleaciones, cada uno tiene su propio
sistema de numeración, conveniente para el metal especificado regido por la norma. Para
evitar confusión de la clasificación de materiales se podría decir que existen 02
asociaciones reconocidas que listan materiales en forma coordinada que son:
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1.- La Prácticas Estándar Normativas para la Numeración de Metales y Aleaciones de
nominada en ingles Unified Numbering Systems (UNS) en las que se encuentran:
* Aluminum Association (AA) (asociación del Aluminio)
*American Iron and Steel Institute (AISI) (Instituto Estadounidense del Hierro y
el Acero)
*Copper Development Association (CDA) (Asociación del desarrollo del Cobre)
*Society of Automotriz Engineers (SAE) (Sociedad de Ingenieros Automotrices)
2.- La American Society for Testing and Materials (Sociedad Estadounidense para
Pruebas y Materiales (ASTM)).
1.- METALES
ACERO.El termino acero se refiere a la aleaciones de hierro y carbono y en muchos casos
otros elemento. Por la gran cantidad de aceros disponibles, en la presente sección se
clasificaran como aceros al carbono, aceros aleados, aceros inoxidables y aceros
estructurales.

ACEROS AL CARBONO Y ALEADOS-
El carbono tiene un lugar tan prominente en la designación de la aleación,
porque, conforme aumenta el contenido de carbono, también se incrementa la
resistencia y dureza del acero. El contenido de carbono, en términos generales,
varia de un mínimo de 0.1% aproximadamente a 1.0%. Cabe hacerse notar que si
bien la resistencia aumenta al aumentar el contenido de carbono, el acero también
se vuelve más frágil. En general los aceros al carnono ordinario contienen;
Carbomo(C)<1%, Mamganeso(Mn)< 0.9%, Silicio(Si) <0.5%, Fosforo(P) <0.1%,
Azufre(S)< 0.1%.

ACEROS INOXIDABLES.-
Los aceros inoxidables reciben su nombre por su resistencia a la corrosión. El
principal elemento de aleación en los aceros inoxidables es el cromo que esta
presente con un minimo de 10% contenido en masa se puede usar como:




5
Menaje, fregaderos, sartenes y baterías de cocina, hornos y barbacoas,
equipamiento de jardín y mobiliario.
Paradas de autobús, cabinas telefónicas y resto de mobiliario urbano,
fachadas de edificios, ascensores y escaleras, vagones de metro e
infraestructuras de las estaciones.
Equipamiento para la fabricación de productos alimentarios y
farmacéuticos, plantas para el tratamiento de aguas potables y residuales,
plantas químicas y electroquímicas, componentes para la automoción y
aeronáutica, depósitos de combustible y productos químicos.
ACEROS ESTRUCTURALES.
Los aceros estructurales se producen en formas de láminas, planchas, barras,
tubos y perfiles estructurales como vigas I, vigas de patines anchos, canales,
ángulos se clasifican de acuerdo al Reglamanto Nacional de Construcciones
como 1.3.1a, 1.3.1.b y 1.3.c sin embargo se ha listado solo las dos primeras por
razones prácticas:
Del cuadro podemos indicar que el acero estrutural ma conocido es el ASTM
A36 el cual tiene un esfuerzo de cedencia o fluencia de 36 ksi, o 36000 lb/plg2 (
248MPA) o 2530 kg/cm2 , tiene un esfuerzo de rotura de 58 ksi es soldable y se
utiliza en la construcccion de trorres de alta tension, eddificios, puentes y en general
toda estructura. Este tipo de acero es el mas conocido en el pais.
En lo que respecta a los aceros para tubos se tiene:
ASTM A-53 GRADO B Tubos para la conducción de fluidos y gases, de
usofrecuente en petroquímica, pesca, minería e industria engeneral.
ASTM A-106 GRADO B Tubos para servicios a altas temperaturas.
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En lo que respecta a las propiedades mecanicas se tiene como valores minimos :
Esf. Fluencia
Esf. Rotura % Alargamaianto
Kg/mm2 Kg/mm2 %
ASTM A-53 GR-A 2100 kg/cm2
ASTM A-53 GR-B 2500 kg/cm2
ASTM A-106 GR-B 2500 kg/cm2
3400 kg/cm2
4200 kg/cm2
4200 kg/cm2
Curva esfuezo deformacion –unitaria del acero
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23
18
18
DESIGNACIONES PARA PERFILES DE ACERO Y ALUMINIO
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HIERRO FUNDIDO
Las fundiciones o Hierros fundidos son aleaciones de Hierro - Carbono - Silicio que por
lo general contienen de 2 a 4 % de C, y 0.5 a 3 % de Si.
Entre las atractivas propiedades del hierro fundido se cuenta su bajo costo, buena
resistencia al desgaste, buena maquinabilidad, y su capacidad para vaciarse en formas
complejas. A continuación sus variedades:
Hierro gris.- Se utilizan en bloques de motores automotrices, bases para maquinarias,
tambores de frenos y engranes grandes.
Hierro dúctil.-Se usa para construcción de cigüeñales y engranes sometidos a grandes
cargas.
Hiero dúctil templado.- Se usa para engranes automotrices, cigüeñales y miembros
estructurales para equipos de construcción y transporte, sustituyendo a los aceros
templados.
Hierro maleable.- Se utiliza en piezas de automóviles y camiones, maquinaria de
construcción y equipo eléctrico
ALUMINIO
Las aleaciones de aluminio se diseñan con el objeto de que adquieran propiedades
óptimas par usos específicos. Algunas se producen primeramente como laminas,
planchas, barras o alambres. Con frecuencia, los perfiles estructurales estándar y las
secciones especiales son extruidas. Se usa en puertas, cerraduras, ventanas, pantallas,
boquillas y canales de desagüe. El aluminio es también uno de los productos más
importantes en la construcción industrial. Muchos aviones comerciales y militares
están hechos casi en su totalidad de aluminio. En los automóviles, el aluminio aparece
en interiores y exteriores como molduras, parrillas, llantas, acondicionadores de aire,
transmisiones automáticas y algunos radiadores, bloques de motor y paneles de
carrocería. Se encuentra también en carrocerías, transporte rápido sobre rieles, ruedas
formadas para camiones, vagones, contenedores de carga y señales de carretera, división
de carriles y alumbrado. En la industria aeroespacial, el aluminio también se encuentra
en motores de aeroplanos, estructuras, cubiertas y trenes de aterrizaje e interiores; a
menudo cerca de 80% del peso del avión es de aluminio. La industria de empaques para
alimentos es un mercado en crecimiento rápido.
COBRE, LATON Y BRONCE
El termino cobre se utiliza adecuadamente para denotar al metal virtualmente puro con
un 99% o mas de cobre. Se utiliza principalmente como conductor eléctrico, piezas de
interruptores y piezas de motores que conducen corriente eléctrica. El cobre y sus
aleaciones tienen buena resistencia a la corrosión, son fáciles de fabricar y tienen un
aspecto agradable. Las principales aleaciones del cobre son el cobre al berilio, los latones
y los bronces.
El cobre al berilio La adición de un 2% de berilio al cobre forma una aleación no
magnética seis veces más fuerte que el cobre. Estas aleaciones berilio-cobre tienen
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numerosas aplicaciones en la industria de herramientas ya que no producen chispas, en
las partes móviles críticas de así como en componentes clave de instrumentos de
precisión, computadoras mecánicas, reveladores eléctricos y obturadores de cámaras
fotográficas. Martillos, llaves y otras herramientas de berilio-cobre se emplean en
refinerías petroleras y otras plantas en las cuales una chispa producida por piezas de
acero puede ocasionar una explosión o un incendio.
Los latones son aleaciones de cobre y zinc, se usa en radiadores de automotrices, bases
de lámparas, herrajes marinos y muebles para el hogar.
Bronce es toda aleación metálica de cobre y estaño en la que el primero constituye su
base y el segundo aparece en una proporción del 3 al 20 por ciento; al ser aleados con
otros materiales se obtienen: El bronce al fósforo, bronce al aluminio y el bronce al
silicio. Su alta resistencia intrínseca y a la corrosión los hace útiles para aplicaciones
marítimas, tornillos, engranes, recipientes a presión, resortes.
2.-NO METALES
1. MADERA
Las especies de la madera nos dan sus propiedades, puesto que clases distintas de
árboles producen maderas más duras o más blandas, más fuerte o débil. Incluso en
las mismas especies ocurre variabilidad debido a las mismas condiciones de
crecimiento, tales como las diferencias del suelo y la cantidad de sol y lluvia.
A continuación se da algunos datos de maderas. La resistencia de la madera depende
de si la carga se aplica perpendicular o paralela al grano.
Otra importante variable que afecta la resistencia de la madera es el contenido de
humedad
1. la compresión como columna sentido de la fibra o paralelo a la veta
Pino Oregon
f´c= 110 kg/cm2
E = 95,000kg/cm2
Tornillo
f´c= 80 kg/cm2
E = 55,000kg/cm2
2.CONCRETO
Los componentes del concreto son el cemento el agregado y el agua. El concreto se
clasifica según su resistencia a la compresión (rotura) que varía desde 140 kg/cm2
hasta 1000 kg/cm2 o 2,000lb/in2 hasta 12,000lb/in2 la resistencia a la tensión del
concreto se considera como 10% de la resistencia la compresión.
Con frecuencia se utiliza la resistencia a los 28 días para determinar su resistencia
nominal.
El peso específico del concreto simple es 2300 kg/m3 (150 lb/pie3)
El peso específico del concreto armado con acero es 2400 kg/m3
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El modulo de elasticidad depende de la resistencia a la compresión y el peso
específico y según el American Concrete Institute, puede calcularse como:

EC  (40,000 f ' c  1'000,000)( )1.5
145
Donde:
E c = Modulo de elasticidad a compresión del concreto en psi
  Peso especifico, lb/pie3
f¨c= Resistencia a la compresión nominal del concreto, psi.
Ejemplo:
Para un f’c= 3000lb/in2 y   145lbs / pie3 , se obtiene un:
Ec  3.2lbs / in2
En el país el modulo de la elasticidad del concreto en Kg/cm2se define de la
siguiente manera
E  15,000 f ´c
Donde:
E = Modulo de elasticidad en kg/cm2
f’c= Resistencia nominal a la compresión en kg/cm2
Ejemplo Par un f’c= 210 kg/cm2 se obtiene:
E  3.17E 5 kg / cm2
3.-PLÁSTICOS Y MATERIALES COMPUESTOS.
Los plásticos se componen de moléculas de cadena larga llamadas polímeros, y son
materiales orgánicos sintéticos que pueden formularse y procesarse literalmente en
miles de formas,muchos tipos de plásticos se usan con fines estructurales debido a su
bajo peso, resistencia a la corrosión y buenas propiedades aislantes eléctricas. Sus
propiedades mecánicas varían de manera considerable; algunos son frágiles y otras
son dúctiles cada vez se va notando que se esta remplazando el acero por el plástico
(entre los que tenemos el nylon y el policloruro de vinilo); se caracterizan por una
relación resistencia/densidad alta, unas propiedades excelentes para el aislamiento
térmico y eléctrico y una buena resistencia a los ácidos, álcalis y disolventes. Se
utiliza en las tuberías de plástico por donde corre el agua y las aguas residuales, las
ventanas de plástico para asegurar que no se escape el calor ni el frío y que no entre
el ruido. El revestimento plástico de los suelos (que puede tener en su propia
cocina), la espuma fabricada a base de plástico como aislante de la casa y por
supuesto, para muchas otras aplicaciones; los plásticos se utilizan en la pintura. Los
materiales compuestos se usan ampliamente en aeronaves, botes, cohetes y
vehículos espaciales, donde se requiere alta resistencia y poco peso.
FACTOR DE SEGURIDAD, ESFUERZOS PERMISIBLES
ESFUERZOS NORMALES DE DISEÑO
La determinación de esfuerzos no tendría sentido alguno si no fuera por el hecho de que
el ensayo físico de los materiales en el laboratorio proporciona información relativa a la
resistencia de un material al esfuerzo. En un laboratorio se preparan cuidadosamente
muestras o probetas con las dimensiones deseadas de material, procesos de manufactura
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y tratamiento térmico conocidos. Luego estos especimenes se someten a fuerzas
conocidas sucesivamente crecientes. El tipo de ensayo utilizado más ampliamente, una
barra redonda se somete a tensión y se carga hasta que finalmente se rompe. La fuerza
necesaria para causar la ruptura se denomina carga última. Dividiendo esta carga
última entre el área de la sección transversal original de la probeta se obtiene la
resistencia última (o esfuerzo último) de un material.
Para efectuar el diseño de elementos, el valor de esfuerzos denominado esfuerzos
permisibles se fija considerablemente mas bajo que la resistencia ultima determinada
mediante ensayo “estático” mencionado.
El esfuerzo de diseño es aquel nivel de esfuerzo que puede desarrollarse en un
material, al tiempo que se asegura que el miembro que soporta la carga sea seguro.
Para calcular el esfuerzo de diseño, deben especificarse dos factores:
- El factor de diseño N.
- La propiedad en la que se basara el diseño. Por lo general , en el caso de metales
el esfuerzo de diseño se basa en la resistencia a la fluencia o cedencia Sy ó en la
resistencia ultima Su del material
El factor de diseño N es el numero entre el que se divide la resistencia última o
fluencia registrada del material para obtener el esfuerzo de diseño  d .
Para calcular el esfuerzo de diseño pueden utilizarse las siguientes ecuaciones para cierto
valor de N
Sy
Cuando se utiliza la resistencia a la cedencia (fluencia) ejemplo el acero.
N
Su
Cuando se utiliza la resistencia última ejemplo la madera, concreto.
d 
N
d 
FACTORES DE DISEÑO
El valor del factor de diseño será distinto, según la resistencia del material que se utilice
como criterio para el diseño se tiene:
A.-Tipo de material (referido a su ductilidad, % alargamiento; >5% entonces dúctil,
esfuerzos residuales como producto del enfriamiento después de una fundición, o de un
proceso de laminado, graneado y martillado; flujo plástico con el tiempo este puede
causar deformaciones de gran magnitud que serian intolerables).
B.- Forma de la carga
 Estática (Permanecen aplicados o se aplica o elimina lenta y gradualmente).
 Repetidas (Se aplican miles de veces, se produce fatiga, rieles de tren).
 Impacto o golpe (choque de elementos, explosión).
C.-Posible mal uso del objeto (se diseño por un fin y se le da otro).
D.-Complejidad del análisis de esfuerzo (cuanto más complejo la forma, más difícil
diseñar)
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E.-Medio ambiente. (Considerar la temperatura, humedad, aspecto corrosivo).
F.-Control de calidad (referido a la construcción del objeto cuidadosamente).
G.-Riesgos que se presentan por una falla (si ha de proteger personas factor más
elevado).
H.-Costos. (Es un factor determínate en el rediseño del elemento).
I.- Esfuerzos internos. Denominados esfuerzos residuales o remanentes
ALGUNOS CRITERIOS PARA LA DETERMINACIÓN DEL FACTOR DE
DISEÑO.
Dentro de los criterios de diseño se toman como base la experiencia del diseño
anterior, peropara una persona que recién empieza a efectura diseños a continuación se
dan algunos factores de diseño promedio con las que se pueden iniciar. Los modos de
falla y por consiguientes métodos para calcular esfuerzos de diseño pueden clasificarse
según el tipo de material y la forma de la carga. Los materiales dúctiles que tienen más
del 5% del alargamiento, presentan modos de falla ligeramente distintos a los
quebradizos. Las cargas estáticas, cargas repetidas y cargas de choque producen modos
distintos de falla
CRITERIOS PARA LA DETERMINACION DEL FATOR DE DISEÑO (N )
Forma de la carga
Material dúctil
Estática
2
Repetida
8
De impacto o de choque
12
Material quebradizo o fragil
6
10
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ESFUERZOS DE DISEÑO DE CODIGOS SELECTOS (cargas estáticas en
estructuras de construcción.A continuación se resume las especificaciones para esfuerzos de diseño definidos por el
American Institute of steel Construcción (AISC) para acero estructural, y para la
Aluminum Association (AA)
Acero estructural (AISC)
N =1.67 o 2.0 el que sea menor
d 
Sy
Su
 0.60Sy ,  d 
 0.5Su
1.67
2.0
Aluminio (Aluminum Association)
N = 1.65 o 1.95 el que sea menor
d 
Sy
Su
 0.61Sy0 ,  d 
 0.51Su
1.65
1.95
DISEÑO POR ESFUERZO CORTANTE
Cuando los miembros trabajan a esfuerzo cortante, el diseño debe basarse en el diseño
por esfuerzo cortante
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d 
Sys
Con respecto a la resistencia a la fluencia a cortante
N
Donde:
Sys 
Sy
, Estimación de la resistencia a la fluencia a cortante.( valor conservador)
2
RESISTENCIA A LA FLUENCIA A CORTANTE
La resistencia a la fluencia o cortante Sys , es el nivel de esfuerzo cortante al que el
material presentaría el fenómeno de fluencia. Es decir, sufriría una significativa cantidad
de deformación por cortante, con poco o ningún aumento en la carga tipo cortante
aplicada
RESITENCIA ÚLTIMA A CORTANTE
La resistencia ultima a cortante, Sus , es el nivel de esfuerzo cortante al que el material
se fractura.
Criterios de esfuerzo de diseño para la determinación de la fuerza cortante
Forma de carga
Diseño por esfuerzo
Estática
N=2
Repetida
Impacto
N=4
N=6
materiales dúctiles
 d  Sys 2N
 d  Sy 4
 d  Sy 8
 d  Sy 12
MATERIALES QUEBRADIZOS
El diseño por esfuerzos cortantes para materiales quebradizos debe basarse en la
resistencia última a cortante puesto que no presenta fluencia,
Estimación para la resistencia ultima a cortante
Formula
Sus  0.65Su
Sus  0.82Su
Sus  0.90Su
material
Aleación de aluminio.
Acero.
Hierro maleable y aleaciones de cobre.
POR OTRA PARTE TENEMOS LOS SIGUIENTES CONCEPTOS
Análisis.- En mecánica racional II se conoce como el hecho de determinar la respuesta
(fuerzas, esfuerzos, deformaciones unitarias y deformaciones producidas por las cargas)
de una estructura a cargas, cambios de temperatura y otras acciones físicas.
Se dice que una estructura es conocida cuando conocemos todas sus propiedades,
descripción física completa (tipos de soportes y su ubicación ,dimensiones de sus
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miembros, los materiales usados.) entonces , al analizar una estructura, las propiedades
están dadas y hay que hallar la respuesta..
Diseño.- Es el proceso inverso del análisis; al diseñar debemos determinar las
propiedades de la estructura (dimensiones) para que soporte las cargas y realice las
funciones previstas; ejemplo diseñar es determinar el tamaño de un elemento.
Estabilidad.- La capacidad de la estructura de para resistir pandeo bajo fuerzas de
compresión.
Optimización.- Consiste en diseñar la mejor estructura para satisfacer un objetivo
especifico, como el peso mínimo; ejemplo puede haber muchas estructuras que soporten
una carga dada, pero en ciertas circunstancias, la mejor será aquélla que tiene el peso
mínimo. Por su puesto, un objetivo como el peso mínimo debe equilibrarse con
condiciones mas generales, como los aspectos estéticos, económico, ambiental, político y
técnico del proyecto de diseño.
Recocido.- El proceso de calentar un material a una alta temperatura y luego enfriarlo de
una manera controlado se llama recocido. El recocido afecta de manera sustancial las
propiedades mecánicas de un material.
Fragilidad.- se dice que un material es frágil o quebradizo cuando se rompe o se fractura
antes de presentar una deformación plástica significativa. Ejemplo la tiza, ladrillo,
concreto, y las piedras.
Plastodeformación.- Se refiere a un aumento gradual en la deformación causado por
esfuerzos aplicados de manera constante. Es un ejemplo del comportamiento
viscoelástico y ocurre en los metales a elevadas temperatura.
Elasticidad.- Es un modelo del comportamiento de los materiales y se basa en la
presunción de que el esfuerzo es una función univoca de la deformación. Si se asume que
el esfuerzo es una función lineal de la deformación, el modelo se denomina linealmente
elástico. De lo contrario se llama elástico no lineal.
Plasticidad.- Es un modelo del comportamiento de los materiales con base en la
presunción de que existe un esfuerzo de fluencia y que se puede desarrollar una
deformación plástica o permanente cuando se alcanza el esfuerzo de fluencia. La
relación entre el esfuerzo y la deformación plástica se denomina regla de flujo:
Cargas muertas de una estructura consiste en el peso de la estructura.
Cargas vivas.- Son las cargas no muertas o que están asociados con el pretendido uso
del área, las cargas típicas vivas son las personas los equipos movilbles, ecritorios,
vehiculos, la presión hidrostática, la presión de la tierra etc.
Cargas de viento.- Se deven a la accion del viento.
Cargas de nieve.- Se deben a la nieve.
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Cargas de sismos.- Se deben entre otros motivos a la influencia de los movimientos
relativos que produce el suelo al deplasarse uno con respecto al otro.
Cargas de temperatura.- Se deven a los cambios de temperatura.
La incertidumbre acerca de las cargas y de las propiedades de los materiales se suele
tomar en cuenta utilizando factores de seguridad en el diseño de una estructura.
Las dos principales filosofías de diseño utilizados en la ingeniería estructural son:
1.- El diseño por esfuerzos de trabajo o diseño elástico o por cargas de servicio
(acero y madera, concreto).
El diseño elástico parte de la hipótesis que es `posible predecir la distribución de
esfuerzos del material, al ser sometido a esfuerzos de servicio. Asume un
comportamiento en el rango elástico en el material o los materiales. El diseño consiste en
conseguir que los esfuerzos no excedan los esfuerzos admisibles, que son una fracción
del esfuerzo de fluencia o del esfuerzo último. . En un diseño de acero, por ejemplo, se
requiere generalmente que los esfuerzos debidos a la flexión sean menores a dos tercios
del esfuerzo de fluencia del acero. Se aplica el factor de seguridad al esfuerzo.
2.- El diseño por Resistencia Última o a la rotura (concreto).
En lo que se refiere al concreto se utiliza dos tipos de diseño el diseño elástico y el de la
rotura.
El diseño elástico en CºAº parte de la hipótesis que es posible predecir la distribución de
esfuerzos en el refuerzo y el concreto, al ser sometidos a cargas de servicio. Asume un
comportamiento elástico de ambos materiales. En la actualidad pruebas de laboratorio
han permitido comprobar que el complejo comportamiento del concreto con el paso del
tiempo conlleva a una constante redistribución de esfuerzos entre este y el acero. En el
diseño elástico solo se considera una de estas distribuciones. Con el tiempo las
condiciones no consideradas pueden ocasionar la falla. El método elástico tampoco
determina la carga que ocasiona la rotura de la pieza y por ello su factor de seguridad no
es conocido.
El diseño por rotura se fundamenta en la preedición de la carga que ocasiona la falla del
elemento en estudio y analiza el modo de colapso del mismo. Este método toma en
consideración el comportamiento inelástico del acero y el concreto por tanto, se estima
mejor la capacidad del elemento.
En un diseño por Resistencia Ultima, se dimensionan los miembros de tal forma
que los esfuerzos alcancen el nivel último de carga bajo un nivel factorizado de la carga.
Una carga típica utilizada en un diseño de concreto reforzada es
 1Q1   2 Q2  .......  n Qn  Rn
Donde:
 : Factor de amplificación de carga
Q : Carga
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 : Factor de Reducción de resistencia.
RN : Resistencia Nominal o teórica del elemento.
Algunos factores de carga son:
C arg adeDiseñoUltimo 1.4DL  1.7LL (Norma Extranjera)
Carga de diseño ultimo = 1.5 DL+1.8LL (Norma Peruana)
Donde:
DL = carga muerta
LL = carga viva
Algunos factores de resistencia son:
Flexión y tracción pura  : 0.90
Corte y torsión  : 0.85
Se aplican los factores de seguridad a las cargas.
Posteriormente al diseño de la estructura, el código ACI propone una verificación de las
condiciones de servicio de los elementos: Control de las rajaduras y control de
deflexiones. En caso de ser necesario, el diseño original debe replantearse.
3.-Un tercer método de diseño, que ha sido adoptado en forma gradual, es el
método de diseño por factores de carga y resistencia (LRFD).
En este procedimiento se aplican los factores de seguridad a la resistencia (capacidad) R
y a la carga P. El criterio del diseño es:
R  P
Donde:
  1  FactordeRe sitencia
  1  FactordeCarg a
El método LRFD permite que el diseñador adapte un diseño mas preciso para la
ubicación de la estructura y para el material utilizado en su construcción.
Algunos factores de carga
C arg adeDiseñoUltimo  1.4D
C arg adeDiseñoUltimo  1.2D  1.6L  0.5(Lr óS´óR)
D= carga Muerta debido al peso.
L= Carga viva debido al mobiliario y ocupantes.
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