¿Qué es la fuerza de compresión?
20 de octubre de 2020
Un concepto fundamental que los ingenieros, arquitectos y constructores deben comprender a fondo antes de emprender obras en cualquier estructura -desde viviendas unifamiliares hasta enormes puentes y rascacielos- es la idea de compresión frente a tensión. Una fuerza de tensión es la que separa los materiales, mientras que una fuerza de compresión aprieta los elementos entre sí. Cada material tiene la capacidad de soportar una cierta cantidad de compresión y una cierta cantidad de tensión.
Para mostrar la diferencia entre compresión y tensión, los profesores de ingeniería suelen hacer demostraciones con un material como la cuerda, que puede soportar una gran cantidad de tensión o tracción antes de fallar, pero no tiene prácticamente resistencia a la compresión, ya que si se empuja desde lados opuestos, simplemente se dobla.
¿Qué es la fuerza de compresión?
La resistencia a la compresión de un material es su capacidad para soportar fuerzas externas que presionan sobre él. Cuando una columna soporta una carga desde arriba, está sometida a una fuerza de compresión. A nivel molecular, la consecuencia de esa fuerza es que los átomos y moléculas de las partículas del material se acortan.
La compresión es un factor que interviene en todos los edificios, ya que las cargas y las fuerzas tienen que dirigirse finalmente hacia el suelo. También es un principio que se aplica en la construcción cuando hay que presionar medios como la grava para que se estabilicen y se compacten. Los laboratorios de ensayo determinan el grado de compactación del material que se encuentra bajo un edificio; las normas de construcción suelen exigir que el material que se encuentra bajo losas, asfalto u otras superficies de cimentación tenga un grado de compactación del 95%.
Las 4 fuerzas que actúan sobre todas las estructuras
La compresión y la tensión son dos de las cuatro fuerzas principales que actúan entre sí dentro de una estructura. Las otras dos son la torsión y el cizallamiento.
- Compresión: Las partículas de un material son empujadas unas contra otras, lo que provoca su acortamiento o compresión. En un edificio, la compresión suele producirse desde arriba.
- Tensión: Lo contrario de la compresión, en la que una fuerza de tracción actúa para alargar el material. Si una viga se comprime desde arriba, estará en tensión en la parte inferior.
- Torsión: Un elemento estructural está sometido a una fuerza de torsión.
- Cizallamiento: Las fuerzas estructurales opuestas provocan deslizamientos en un plano. En otras palabras, una fuerza de cizallamiento que hace que las capas se deslicen unas sobre otras en direcciones opuestas. Los edificios necesitan muros cortantes para resistir las fuerzas laterales, o cortantes.
Aprenda más sobre cómo actúan las fuerzas y las tensiones sobre las estructuras y los materiales en la clase de Materiales de Madera de MT Copeland, impartida por el maestro de obras Jordan Smith.
¿Cómo actúa la fuerza de compresión en un edificio?
Una forma de ver la compresión es la acción y la reacción. Las fuerzas internas y externas actúan sobre los componentes estructurales. Una fuerza externa se denomina carga estructural y una fuerza interna es una tensión: la carga es la acción (colocar un peso sobre una columna) y la tensión es la fuerza de reacción. Cuando los ingenieros diseñan estructuras, tienen que tener en cuenta todas las fuerzas que podrían afectarlas a lo largo del tiempo.
En términos reales, esas fuerzas incluirían 3 tipos de cargasla carga viva (las personas o los materiales que almacenará el edificio), la carga muerta (el peso de la propia estructura) y la carga ambiental (consideraciones elementales como la carga de nieve, la carga de viento y los terremotos). Los códigos de edificación suelen establecer los parámetros de estas cargas de diseño.
Fíjese en cómo se han construido los edificios a lo largo del tiempo: Los templos griegos y romanos y las catedrales góticas son edificios construidos para aprovechar la fuerza de compresión. Un arco de ladrillo o piedra utiliza una compresión uniforme, que empuja hacia abajo y es absorbida por una estructura construida para soportar la presión lateral, como los estribos de piedra. Un ejemplo famoso de este uso de la compresión puede verse en la catedral de Notre Dame de París, donde el arbotante dirige la fuerza de compresión desde el tejado y los muros hacia los cimientos.
Medición de la resistencia a la compresión de los materiales
Por definición, la resistencia a la compresión de un material es el valor de la tensión de compresión uniaxial (es decir, la tensión de compresión máxima que alcanza un material antes de fallar por completo). En pocas palabras, se aplica una carga de compresión a un material (normalmente cilíndrico, por eso se llama "uniaxial"), que se acorta y se extiende hasta que falla. Esto se representa en una curva de tensión-deformación.
Un concepto fundamental que los ingenieros, arquitectos y constructores deben comprender a fondo antes de emprender obras en cualquier estructura -desde viviendas unifamiliares hasta enormes puentes y rascacielos- es la idea de compresión frente a tensión. Una fuerza de tensión es la que separa los materiales, mientras que una fuerza de compresión aprieta los elementos entre sí. Cada material tiene la capacidad de soportar una cierta cantidad de compresión y una cierta cantidad de tensión.
Para mostrar la diferencia entre compresión y tensión, los profesores de ingeniería suelen hacer demostraciones con un material como la cuerda, que puede soportar una gran cantidad de tensión o tracción antes de fallar, pero no tiene prácticamente resistencia a la compresión, ya que si se empuja desde lados opuestos, simplemente se dobla.
¿Qué es la fuerza de compresión?
La resistencia a la compresión de un material es su capacidad para soportar fuerzas externas que presionan sobre él. Cuando una columna soporta una carga desde arriba, está sometida a una fuerza de compresión. A nivel molecular, la consecuencia de esa fuerza es que los átomos y moléculas de las partículas del material se acortan.
La compresión es un factor que interviene en todos los edificios, ya que las cargas y las fuerzas tienen que dirigirse finalmente hacia el suelo. También es un principio que se aplica en la construcción cuando hay que presionar medios como la grava para que se estabilicen y se compacten. Los laboratorios de ensayo determinan el grado de compactación del material que se encuentra bajo un edificio; las normas de construcción suelen exigir que el material que se encuentra bajo losas, asfalto u otras superficies de cimentación tenga un grado de compactación del 95%.
Las 4 fuerzas que actúan sobre todas las estructuras
La compresión y la tensión son dos de las cuatro fuerzas principales que actúan entre sí dentro de una estructura. Las otras dos son la torsión y el cizallamiento.
- Compresión: Las partículas de un material son empujadas unas contra otras, lo que provoca su acortamiento o compresión. En un edificio, la compresión suele producirse desde arriba.
- Tensión: Lo contrario de la compresión, en la que una fuerza de tracción actúa para alargar el material. Si una viga se comprime desde arriba, estará en tensión en la parte inferior.
- Torsión: Un elemento estructural está sometido a una fuerza de torsión.
- Cizallamiento: Las fuerzas estructurales opuestas provocan deslizamientos en un plano. En otras palabras, una fuerza de cizallamiento que hace que las capas se deslicen unas sobre otras en direcciones opuestas. Los edificios necesitan muros cortantes para resistir las fuerzas laterales, o cortantes.
Aprenda más sobre cómo actúan las fuerzas y las tensiones sobre las estructuras y los materiales en la clase de Materiales de Madera de MT Copeland, impartida por el maestro de obras Jordan Smith.
¿Cómo actúa la fuerza de compresión en un edificio?
Una forma de ver la compresión es la acción y la reacción. Las fuerzas internas y externas actúan sobre los componentes estructurales. Una fuerza externa se denomina carga estructural y una fuerza interna es una tensión: la carga es la acción (colocar un peso sobre una columna) y la tensión es la fuerza de reacción. Cuando los ingenieros diseñan estructuras, tienen que tener en cuenta todas las fuerzas que podrían afectarlas a lo largo del tiempo.
En términos reales, esas fuerzas incluirían 3 tipos de cargasla carga viva (las personas o los materiales que almacenará el edificio), la carga muerta (el peso de la propia estructura) y la carga ambiental (consideraciones elementales como la carga de nieve, la carga de viento y los terremotos). Los códigos de edificación suelen establecer los parámetros de estas cargas de diseño.
Fíjese en cómo se han construido los edificios a lo largo del tiempo: Los templos griegos y romanos y las catedrales góticas son edificios construidos para aprovechar la fuerza de compresión. Un arco de ladrillo o piedra utiliza una compresión uniforme, que empuja hacia abajo y es absorbida por una estructura construida para soportar la presión lateral, como los estribos de piedra. Un ejemplo famoso de este uso de la compresión puede verse en la catedral de Notre Dame de París, donde el arbotante dirige la fuerza de compresión desde el tejado y los muros hacia los cimientos.
Medición de la resistencia a la compresión de los materiales
Por definición, la resistencia a la compresión de un material es el valor de la tensión de compresión uniaxial (es decir, la tensión de compresión máxima que alcanza un material antes de fallar por completo). En pocas palabras, se aplica una carga de compresión a un material (normalmente cilíndrico, por eso se llama "uniaxial"), que se acorta y se extiende hasta que falla. Esto se representa en una curva de tensión-deformación.
La fórmula para calcular la resistencia a la compresión es F = P/A, donde:
- F=La resistencia a la compresión (MPa)
- P=Carga máxima (o carga hasta el fallo) del material (N)
- A=Sección transversal del área del material que resiste la carga (mm2)
Para dar una perspectiva de cómo se utilizan estas cifras en un edificio, los edificios estándar requieren que el hormigón tenga una resistencia a la compresión de 10 MPa a 60 MPa (entre 1.450 y 8.700 libras por pulgada cuadrada). El hormigón de ultra alta resistencia, obtenido mediante mezclas especiales, puede cumplir requisitos de resistencia de 500 MPa (72.519 psi).
Los ingenieros miden la resistencia a la compresión de la madera cargando un bloque de madera paralelo a la veta hasta que falla (se rompe). Lo miden en psi (libras por pulgada cuadrada).
La resistencia a la compresión de los materiales dúctiles (metálicos) puede medirse con una máquina universal de ensayos, en la que el material se coloca entre dos placas y se somete a compresión hasta que se alcanza una carga específica o el material falla.
¿Qué materiales tienen la mayor resistencia a la compresión?
Una de las propiedades técnicas más importantes del hormigón es su elevada resistencia a la compresión. Sin embargo, su resistencia a la tracción es menor que la del acero. El acero puede tener tanto una alta resistencia a la compresión como una alta resistencia a la tracción y resistir las mismas fuerzas de compresión que el hormigón o la mampostería, pero sin su volumen. Los ingenieros suelen referirse a los grupos de materiales "frágiles" y "dúctiles" para la resistencia a la compresión: el grupo frágil incluye la roca, la arenisca y el cemento, y el grupo dúctil incluye el acero y otros metales.
A continuación se indican algunas resistencias medias a la compresión de materiales de construcción comunes en psi (libras por pulgada cuadrada):
- Acero A36 (un acero estructural común): 22,000
- Granito: 19.000
- Ladrillos duros: 12,000
- Hickory: 9,210
- Piedra caliza: 9.000
- Hormigón estándar: 1450-8700
- Arce, duro: 7.830
- Nogal: 7.580
- Abeto Douglas: 7.230
- Ceniza: 7.410
- Pino Ponderosa: 5.320
- Ladrillos ligeros: 1,000
Al comprender el funcionamiento conjunto de la compresión y la tracción, y cómo la resistencia a la compresión de determinados materiales puede actuar en el contexto de las demás fuerzas de una estructura, comprenderá la importancia de los códigos de construcción a la hora de establecer las normas de seguridad de los edificios.
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