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informe sobre el esfuerzo térmico en los materiales de construcción para pavimentos y edificaciones
Tipo: Monografías, Ensayos
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FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL AMBIENTAL
**1. Resumen
3. Introducción: En el campo de la Ingeniería Civil, existen diversos factores críticos para determinar la durabilidad de una construcción, los cuales son muy fundamentales para el desarrollo de estas, siendo así, muy importante la durabilidad y rendimiento de los materiales de construcción utilizados en las obras de construcción, tales como pavimentos y edificaciones. El esfuerzo térmico es uno de esos factores críticos de los cuales son muy fundamentales estudiar en cada material de construcción para saber cuánto va a durar una construcción o qué factores pueden afectar a está, siendo en este tema muy importante en la variación de temperatura. Este fenómeno debido a la variación de temperatura generados en cada material de construcción producen tensiones internas, generando cambios que pueden generar dilataciones y contracciones en los materiales de construcción, lo cual de este modo puede afectar a su integridad estructural y funcionalidad de cada uno de estos, además de generar muchos problemas como fisuras, deformaciones y en casos extremos los fallos estructurales. La comprensión y mitigación del esfuerzo térmico será muy importante en el siguiente informe de investigación, en el cual hablaremos de los principales materiales de construcción de edificaciones y pavimentos y en cómo afectan a estos. Es importante realizar un análisis de sus propiedades térmicas de cada uno de los materiales, la modelación de condiciones ambientales a las cuales estarán expuestos y el desarrollo de técnicas de mitigación para cada uno de ellos siendo la modelación ambiental ayuda a predecir los escenarios de estrés térmico más críticos, mientras que las técnicas de mitigación, como el uso de juntas de expansión y materiales con mejores propiedades térmicas, contribuyen a aumentar la durabilidad y seguridad de las infraestructuras.
● Longitud original (L) : La longitud inicial de la barra antes del cambio de temperatura. ● Cambio en la longitud (ΔL) : La cantidad de expansión o contracción que la barra experimentaría si no estuviera restringida. Esfuerzo térmico en una placa o lámina con gradiente de temperatura Esta fórmula se aplica cuando hay un gradiente de temperatura a lo largo de la longitud o espesor del material. La integral se utiliza para sumar los efectos del gradiente térmico en diferentes puntos del material. ● Gradiente de temperatura (dT/dx) : La tasa de cambio de temperatura a lo largo de la longitud del material. ● Longitud (L) : La longitud total sobre la cual se aplica el gradiente de temperatura. Deformación térmica La deformación térmica (ϵt) es una medida del cambio relativo en la longitud de un material cuando experimenta un cambio de temperatura. Es una forma de cuantificar cuánto se expandirá o contraerá un material en respuesta a una variación de temperatura, en términos de una fracción de su longitud original. ● es la deformación térmica. ● α es el coeficiente de expansión térmica. ● ΔT es el cambio de temperatura (la diferencia entre la temperatura final y la temperatura inicial).
● Materiales de construcción y su relación con el esfuerzo térmico en edificaciones Damian. (2023), nos menciona que, la resistencia térmica de los materiales de construcción es un valor que mide la capacidad de un material para resistir a la transferencia de calor. Junto a la conductividad térmica, esta medida se emplea para determinar la eficiencia con la que un material aísla o retiene el calor. La transferencia de calor se puede producir por tres mecanismos: conducción, convección y radiación. La resistencia térmica se emplea para evaluar, principalmente, la conducción del calor a través de un material, indicando la dificultad para el calor de pasar a través del material. Cuanto mayor sea la resistencia térmica de un material, más lento será el flujo de calor a través de este. Un material con una resistencia elevada actuará como buen aislante, reduciendo la transmisión de calor entre dos medios con diferentes temperaturas. La importancia de esta medida radica en aspectos como la eficiencia energética, el confort interior, los riesgos de condensación y humedad, así como la durabilidad de los materiales de construcción. ● Propiedades térmicas de los materiales de construcción Las propiedades térmicas de los materiales de construcción son fundamentales para determinar el rendimiento energético y el confort térmico de los edificios. A continuación, se describen algunas de las propiedades térmicas más importantes: ❖ Conductividad Térmica (λ): La conductividad térmica es una medida de la capacidad de un material para transmitir calor. Se define como la cantidad de calor, en watts, que se transmite a través de un metro cuadrado de un material de un metro de espesor cuando hay una diferencia de temperatura de un grado Kelvin entre sus superficies. La conductividad térmica depende en gran medida de la estructura del material, incluyendo su composición química, densidad y humedad. Materiales como los metales (cobre, aluminio) tienen alta conductividad térmica, lo que los hace adecuados para aplicaciones donde se requiere una rápida transferencia de calor. Por otro lado, materiales como la lana de vidrio, el poliestireno expandido y otros aislantes térmicos tienen una baja conductividad térmica, lo que los convierte en excelentes opciones para reducir las pérdidas de calor en edificios. Esto es crucial en climas fríos, donde mantener el calor dentro del edificio puede reducir significativamente los costos de calefacción y mejorar el confort térmico de los ocupantes.
edificio, reduciendo la necesidad de calefacción y refrigeración artificial. ❖ Resistencia Térmica (R) y Valor U: La resistencia térmica es una medida de la capacidad de un material para resistir el flujo de calor, y se calcula como , donde d es el espesor del material. La resistencia térmica es inversamente proporcional a la conductividad térmica; materiales con baja conductividad térmica tienen alta resistencia térmica. Esta propiedad es crítica en la selección de materiales para aislamiento térmico. El valor U, por otro lado, es el inverso de la resistencia térmica total de una estructura y mide la tasa de transferencia de calor a través de un material, expresado en watts por metro cuadrado-kelvin (W/m²·K). En el diseño de edificios eficientes energéticamente, es crucial minimizar el valor U para reducir las pérdidas de calor y mejorar el rendimiento térmico del edificio. ● Mecanismos de generación de esfuerzo térmico Los esfuerzos térmicos en materiales de construcción se generan debido a los cambios de temperatura que causan expansión y contracción térmica. Estos cambios pueden inducir tensiones internas cuando el material no puede expandirse o contraerse libremente. A continuación se detallan los mecanismos más comunes de generación de esfuerzos térmicos:
1. Expansión y Contracción Térmica: Cuando un material se calienta, sus partículas se mueven más rápido y tienden a separarse, causando expansión térmica. De manera inversa, cuando se enfría, las partículas se mueven más lentamente y se acercan, provocando contracción térmica. Si un material está restringido y no puede expandirse o contraerse libremente, se generan esfuerzos internos. Estos esfuerzos pueden llevar a deformaciones y, en casos extremos, a la fractura del material. 2. Diferencias de Coeficiente de Expansión Térmica: En estructuras compuestas por diferentes materiales, cada material puede tener un coeficiente de expansión térmica distinto. Cuando estos materiales se someten a cambios de temperatura, se expanden o contraen a diferentes
tasas, generando tensiones en las interfaces entre ellos. Esto es común en sistemas de materiales compuestos y en juntas entre materiales disímiles, como en el concreto reforzado con acero.
3. Gradientes de Temperatura: Los gradientes de temperatura ocurren cuando hay una variación de temperatura a lo largo de un material. Esto puede ser resultado de exposición desigual al sol, calentamiento localizado, o diferencias de temperatura entre el interior y el exterior de una estructura. Los gradientes de temperatura inducen esfuerzos térmicos porque diferentes partes del material se expanden o contraen de manera desigual. 4. Ciclos de Calor: Los ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento pueden causar fatiga térmica en los materiales. Con el tiempo, la expansión y contracción repetitiva puede llevar a la formación de microfisuras y eventualmente a fallas estructurales. Este fenómeno es común en estructuras expuestas a cambios diarios de temperatura, como pavimentos y puentes. 5. Restringimientos Mecánicos: Cuando un material está restringido por elementos mecánicos como pernos, anclajes, o soportes, la expansión o contracción térmica puede estar limitada, generando esfuerzos internos. Por ejemplo, un pavimento de concreto anclado en sus extremos no puede expandirse libremente cuando se calienta, resultando en tensiones de compresión que pueden causar agrietamiento. 6. Presiones Internas en Materiales Porosos: En materiales porosos como el concreto, el agua dentro de los poros puede expandirse al congelarse, generando presiones internas y esfuerzos térmicos. Este proceso, conocido como daño por congelación y deshielo, puede causar grietas y deterioro en el material con el tiempo.
d. Restricciones a la Deformación: Las restricciones, tanto internas como externas, pueden impedir la libre expansión o contracción del concreto. Esto incluye restricciones geométricas, refuerzos, o conexiones con otras estructuras, que pueden generar tensiones cuando el concreto intenta cambiar de volumen (ACI Committee 207, 2016). Cálculo del Esfuerzo Térmico del concreto El esfuerzo térmico σt en el concreto debido a un cambio de temperatura ΔT se calcula utilizando la siguiente fórmula: σt=E⋅α⋅ΔT Donde: ● E es el módulo de elasticidad del concreto. ● α es el coeficiente de expansión térmica del concreto. ● ΔT es la variación de temperatura experimentada por el concreto. Explicación de los Términos
Ilustración 1: Relación esfuerzo térmico del concreto y temperatura Ilustración 2: Estructuras de concreto ■ Esfuerzo térmico en el acero El esfuerzo térmico en el acero se refiere a las tensiones internas que se desarrollan en el acero debido a cambios de temperatura. Este fenómeno es crucial en diversas aplicaciones, desde la construcción hasta la fabricación de equipos, ya que puede afectar la integridad estructural y la durabilidad de los componentes de acero. A continuación se examinan los factores que contribuyen al esfuerzo térmico en el acero: a. Cambios de Temperatura: El acero se expande cuando se calienta y se contrae cuando se enfría. La magnitud de esta expansión o contracción depende de la variación de temperatura y del coeficiente de expansión térmica del acero. Cuando el acero no puede expandirse o contraerse libremente, se desarrollan tensiones internas. Wang, Kodur, y Wu (2012) discuten cómo los cambios de temperatura en el acero, especialmente en situaciones de incendio,
b. Tensiones Residuales: Los esfuerzos térmicos pueden inducir tensiones residuales en el acero, que son tensiones internas que permanecen en el material después de que se ha restablecido una temperatura uniforme. Estas tensiones pueden debilitar el material y aumentar la susceptibilidad a la fractura por fatiga. c. Grietas y Fallas: En condiciones extremas, como en aplicaciones de alta temperatura o en condiciones de enfriamiento rápido, el esfuerzo térmico puede provocar grietas. Estas grietas pueden comprometer la integridad estructural y, en casos severos, llevar a fallas catastróficas de los componentes de acero. ASM International (2020) detalla cómo las grietas inducidas por esfuerzos térmicos en componentes de alta temperatura, como tuberías de calderas, pueden llevar a fugas y fallas operacionales (ASM International, 2020). Cálculo del Esfuerzo Térmico en acero El esfuerzo térmico en el acero se calcula con la siguiente fórmula: σt=E⋅α⋅ΔT donde: ● σt = Esfuerzo térmico. ● E = Módulo de elasticidad del acero. ● α = Coeficiente de expansión térmica. ● ΔT = Cambio de temperatura. Fig. 3 Ilustración 3: Estructuras de acero En este sentido, las propiedades mecánicas del acero NO son las mismas a 20 ºC (temperatura que se suele considerar de referencia para
el diseño de estructuras de acero), que las que pueda tener a 200 ºC, 400 ºC ó a 1000 ºC. De hecho, y según ensayos realizados en base a la Norma NFPA 251 el acero estructural colapsa al alcanzar los 538 ºC. La temperatura de 538 ºC se puede alcanzar fácilmente en caso de producirse cualquier incendio que pueda afectar directa o indirectamente a la estructura. Así, y según se muestra en la curva de la figura (1) siguiente, en un incendio tipo esta temperatura se alcanzaría aproximadamente a los 5 minutos de originarse el incendio. Fig. 4 Ilustración 4: Curva normalizada Temperatura - Tiempo de un incendio ■ Esfuerzo térmico en ladrillos ● Ladrillos de cemento: En cuanto a los ladrillos de cemento, estos pueden ser afectados gravemente debido a los cambios de temperatura dependiendo al lugar en el cual se encuentren, pero en una edificación, estos pueden causar un grave peligro para la edificación debido a estos cambios de temperatura, lo cual es perjudicial para las personas que habitan estas edificaciones. Ilustración 5: Ladrillo de cemento
Ilustración 7: Fórmula de deformación térmica En los ladrillos de cemento, en especial su material el cual ha sido hecho, el cemento, es muy afectado claramente por la temperatura ya sea sometida en el ambiente o la que se produce durante su proceso de hidratación del cemento. Por ello, en lo general, durante el fraguado del cemento, hay un curado con agua para que este adquiera sus características deseadas y además luego de las 24 horas del endurecido de los ladrillos de cemento, al ser curados, evitarán la formación de grietas en estos. Además en la variabilidad del volumen del concreto durante su vida de servicio. Se podría decir que el concreto aumenta de volumen a medida que su temperatura aumenta, y disminuye de volumen a medida que su temperatura disminuye lo cual sometido a cambios bruscos de temperatura puede quebrarse. Según una investigación realizada por Alejandro Colorado en el año 2014, se realizó una toma de datos en Guatemala, en un laboratorio mediante un baño de agua, colocando el agua necesaria, un termómetro digital y además de la colocación de un deformímetro para medir la deformación total dependiendo de la temperatura y alcanzando temperaturas de hasta 50° C. La prueba descrita es la siguiente: Proporción de la probeta:
