Es normal preguntarse sobre la seguridad que hay sobre la viga de hormigón armado que esta sobre mi cabeza no se rompa y caiga sobre mi. Sobre qué precauciones han tomado los ingenieros para que esto no ocurra.
Para responder esto, imaginemonos un tablón de madera sobre el que se sube un trabajador, a veces a gran altura. Por lo general son andamios que utilizan tablones de 5 cm de espesor por 25 cm de ancho y 3,20 m de largo, que se apoyan en travesaños de 3 m de distancia aproximadamente.
Fig. 1. Trabajadores sobre un andamioCarga es toda fuerza a la que esta sometida el material, a su vez definiremos fuerza como toda causa capaz de producir en un material una aceleración o una deformación. Existen fuerzas externas e internas que pueden actuar sobre un material de construcción.
Si aplicamos una carga a este tablón, por ejemplo el peso de una persona, unos 75 kilogramos en el centro. El tablón lo resite perfectamente. Si a este tablón le agregamos la carga de un saco de cemento, aproximadamente 42,5 kilogramos, también los resiste.
Pero una prueba como esta no es suficiente. Podría ocurrir que estuviesemos cerca de su ruptura y con una carga más, tal vez pequeña, o sin un movimiento oscilatorio de arriba a abajo, el tablón podría romperse. Esta situación no sería practica para una persona que estaría arriesgando su vida en este tipo de prueba.
Se prefiere un procedimiento mucho más directo y seguro en un laboratorio de ensayo de materiales con instrumentos especiales. Como el que se muestra en la siguiente figura, donde se aprecia un ensayo de flexión.
Fig. 2. Ensayo de flexión.En esta situación hay un límite muy real, que no elegimos nosotros, sino que es privativo de cada material, y es el momento en que el tablón se rompe.
Se procede a aplicar una carga lentamente en el tablón hasta romperlo, y anotamos la carga que necesitamos para ello.
Es lo que llamamos carga de ruptura y a la resistencia que opuso el tablón hasta este momento resistencia de ruptura o simplemente ruptura.
Entensemos por carga de ruptura la mínima fuerza que produce la ruptura del material. Depende de la calidad del material y de la cantidad del material que soporta la carga.
Para cada tipo de trabajo o de esfuerzo a que sometemos a un elemento constructivo hay una resistencia de ruptura.
Existen varias formas en que puede resistir un material, fuera de las cargas o esfuerzos que estamos considerando. Por ejemplo, la carga que puede soportar un pilar o una viga; o la dureza de un pavimento, su resistencia al desgaste,etc.
Los laboratorios de ensayo de materiales estan día a día sometiendo a las pruebas más diversas a todo tipo de materiales que se usan en la edificación. Los ensayos en estos laboratorios siempre llegan al límite final. Hasta que el material se rompe, o se desgasta. Esto para obtener para cada caso un punto seguro de referencia.
En el caso del ejemplo del tablón, una vez obtenida la carga de ruptura, que es el límite del que necesitamos guardar una debida distancia, establecemos una especie de margen de precaución que llamamos coeficiente de seguridad.
Definiremos el coeficiente de seguridad como un dato númerico, mayor que la unidad, asignado con criterios constructivos, que sirve para conocer la tensión máxima de trabajo que debe soportar un material en obra para prevenir los riesgos derivados de su ruptura. El valor adoptado como resistencia de los materiales, correspode a un concepto estadístico.
Se establece un coeficiente diferente para cada material y para cada tipo de trabajo que se expresa en cada caso con una cifra o un número.
Se establece un coeficiente diferente para cada material y para cada tipo de trabajo que se expresa en cada caso con una cifra o un número.
El coeficiente de seguridad hace frente a dos incertidumbres: por un lado asignar una resistencia al material suficientemente alejada de la rotura y por otro adoptar unas solicitaciones alejadas de las previsibles.
Obtenida la resistencia de una serie de probetas ensayadas hasta la rotura, se toma como resistencia característica aquel valor que sólo tiene una probabilidad de un 5% de verse rebasado inferiormente.
Este coeficiente de seguridad que sea más grande o más pequeño, depende de la mayor o menor uniformidad con que el material acostumbra a responde o comportarse frente a cada tipo de esfuerzo. Lo que se sabe o se estudia con los miles y miles de ensayos que se han realizado y se continuan realizando en los laboratorios.
Por ejemplo, si se trata de barras de acero redondo para hormigón armado, y se observa que se someten a determinados ensayos, siempre el resultado es parecido, hay el derecho de suponer que este material cuya fabricación es muy contralada, ha de continuar comportandose de manera semejante. Luego el coeficiente de seguridad puede ser pequeño.
Pero si se trata, por el contrario de un material como la madera, los resultados de los ensayos suelen arrojar valores muy diferentes. Su resistencia, aún tratándose de una misma especie de madera, como el alamo, depende de la conformación del árbol, de la parte del tronco desde donde proviene el tablón, de su grado de humedad, de si tienen nudos, y de otros defectos posibles. Es necesario, por lo tanto, adoptar un coeficiente de seguridad bastante grande. Por lo general se toma en el alamo un coeficiente 6, que equivale a hacer trabajar normalmente el tablón con una carga igual a la sexta parte de aquella que provoca su ruptura. En el caso del acero, su coeficiente de seguridad es igual a 2,5 y a veces a 3.
Dividiendo la carga de ruptura por el coeficiente de seguridad, obtendremos lo que se llama carga admisible o tensión de trabajo, que es el límite de la carga, como lo indica claramente el primer nombre, que admite el material, sin ofrecer peligro alguno.
O sea, a modo de ejemplo, si el tablón se rompe con 630 kilos (resistencia a la ruptura) dividimos esa cantidad por 6 (coeficiente de seguridad) y nos resultan 105 kilos (carga admisible). Esto es la carga con que se hace trabajar el tablón, sin peligro para que lo utilicen.
Si a primera vista pudiesen parecer altos los coeficientes de seguridad que se indican para el alamo y el acero, que les hacen trabajar a un sexto y a un tercio de su resistencia, respectivamente, esto no es asi, si se tiene en cuenta que las cargas y esfuerzos normales que soporta una estructura, pueden a veces aumentar considerablemente.
Además del incremento que experimentan los elementos cuando están sometidos a movimientos ondulantes, como los causados por los temblores, por ejemplo, deben considerarse hechos accidentales, de ocurrencia muy eventuales, como una gran cantidad de gente en un techo.
Tensión es toda carga por unidad de superficie, las unidades de tensión son unidades de presión.Las diferencias entre tensión de ruptura, tensión admisible y tensión de trabajo es la siguiente.
La tensión de ruptura es la mínima tensión que produce la rotura de un material. A su vez, la tensión admisible es la máxima tensión a la que un material de construcción debe trabajar en obra. Y la tensión de trabajo es la tensión que un material soporta en obra, es decir, a la que esta sometida en obra.
La tensión de trabajo es menor que la tensión de ruptura.
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