UD2: Los Materiales (3)

7/31/2019 UD2: Los Materiales (3)

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IES Luis Vlez de Guevara CPPA CFGSParte especfica Tecnologa Industrial

UD 2: Los materiales

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3. Materiales de construccin

3.1. La madera

De todos los materiales usados por el ser humano a lo largo de la historia, la madera fue elprimero de ellos, gracias a una serie de propiedades como facilidad de conformado, bajo pesoespecfico, agradable apariencia exterior, propiedades trmicas y mecnicas, Esto hagenerado una industria muy importante.

La explotacin de los rboles para la obtencin de madera da lugar a graves problemasmedioambientales, porque si no se realiza la tala con unos criterios medioambientales, puedeproducirse una sobreexplotacin que genera deforestacin, prdida de bosques primarios y,desertificacin.

Partes del tronco

Un rbol es un vegetal leoso con un tallo simple, llamado tronco, en su parte inferior, y

ramificado en su parte superior (copa).

Por madera se entiende la parte slida de los rboles que se encuentra debajo de la corteza.As, madera es el conjunto de tejidos, de cierta dureza, que constituyen la mayor parte deltronco y las ramas del rbol. La madera es un material fibroso formado por:

Celulosa (50%)

Lignina, que es el elemento que mantiene unidas a las fibras (30%). Es como elcemento de la madera

Otros elementos: resina, agua, almidn,... (20%)

Si damos un corte transversal a un tronco de un rbol, distinguimos las siguientes partes, dedentro a fuera:

Mdula o duramen: formada por clulas muertas que estn muy lignificadas. Suaspecto es seco y duro.

Albura o leo: de aspecto blanquecino, formada por clulas vivas en su parteexterior y es el responsable del transporte de la savia bruta desde la raz del rbolhasta las partes areas. Durante el crecimiento del rbol, las clulas interiores

mueren y pasan a engrosar el duramen. Cambium: capa de clulas vivas entre la albura y la corteza interna. Durante su

crecimiento da lugar a la formacin de la albura y a nuevas clulas de la cortezainterna.

Corteza interna: es por donde circula la savia elaborada; est formada por clulasque poco a poco se desplazan al exterior formando la corteza externa. Tambin sedenomina floema o lber

Corteza externa: Formada por una capa de clulas muertas, que protege al rbolcontra las inclemencias del tiempo y del ataque de insectos y parsitos.


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En la industria se aprovecha casi exclusivamente el tronco del rbol por tener mayoresaplicaciones. Excepcionalmente se aprovechan las races y ramas gruesas para la obtencinde maderas finas, con veteados espectaculares, en la construccin de muebles de diseo.

La parte que interesa del tronco es el duramen(leo viejo del rbol en torno al centro, que esms seco y rgido), junto con la albura(leo joven del rbol, en torno al duramen, quecontiene todava clulas vivas que transportan agua y nutrientes).

3.1.1. Propiedades de la madera

Segn el tipo de madera, edad del rbol, zona climtica, las propiedades varan de unosa otros, pero de manera general, las maderas presentan las siguientes caractersticas:

Baja densidad: suelen ser menos densas que el agua (de ah que floten).

Conductividad trmica y elctrica baja: la madera es un excelente aislante trmico(casas de madera en pases fros, por ejemplo). Las maderas ricas en agua sonmejores conductores que las secas.

Resistencia mecnica: a la traccin, compresin, flexin, cortadura, desgaste, Esmuy resistente al esfuerzo de traccin (estirarse) y bastante resistente a la compresin(aunque la mitad de resistente que a la traccin).

Hendibilidad: es la facilidad con que se abren las fibras de la madera en sentidolongitudinal. Hienden peor las maderas duras, las secas, las resinosas y con nudos. Lamadera hendible es poco apta para el clavado y para realizar encajes. Si el secado es

brusco la madera tiende a abrirse.

Retractabilidad o contraccin: prdida de volumen al perder parte del agua.

Humedad: cantidad de agua que tiene la madera en su estructura. Est relacionadacon su peso y afecta a otras propiedades fsicas y mecnicas. Elemento que se debereducir para obtener una madera til, desde un punto de vista tecnolgico.

Dureza: es la resistencia que ofrece al corte. Aumenta con la densidad.

Flexibilidad: Caracterstica de las maderas jvenes, verdes y blandas, que admiten ser

dobladas sin romperse.

Caractersticas estticas: color, veteado, olor,


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3.1.2. Clasificacin

Las maderas pueden clasificarse de muy diversas formas, segn el criterio que seconsidere. As, podemos clasificarlas atendiendo a su dureza y a su humedad.

3.1.2.1. Segn su dureza

Maderas blandas: cuyos rboles tienen hoja perenne, son resinosos. Ej.: pino,ciprs, abeto, cedro,... Son maderas ligeras, de crecimiento rpido (se observanbien los anillos), de color claro, nudos pequeos, fciles de trabajar y de bajo coste.Se emplean para trabajos en los que no se necesita gran solidez: embalajes, cajas,tablas, mueble funcional sencillo, pasta de papel,

Maderas duras: cuyos rboles tienen hoja caduca. Ej.: roble, castao, nogal, olmo,caoba. Madera compacta, poca resina y escasos nudos, amplia gama de colores,de mayor densidad, de crecimiento lento (anillos anuales muy juntos, casi no sediferencian), ms difciles de trabajar, y en general de mayor calidad y precio. Seemplean en trabajos de ebanistera, muebles ms compactos, instrumentosmusicales, interiores de barco, andamios de obra,

3.1.2.2. Segn el grado de humedad:

Maderas verdes: alto grado de humedad (30 -35%). Maderas recin cortadas queno deben usarse para trabajos, pues al secarse por la contraccin se encogen yagrietan.

Maderas desecadas: se reduce el grado de humedad hasta el 10 12% porprocesos naturales, apilndolas de manera adecuada y permitiendo que el airecircule entre las tablas para ir reduciendo el exceso de agua.

Maderas secas: se reduce la humedad hasta el 3% empleando procesosartificiales. Las maderas se secan de forma ms rpida por mtodos artificiales, engrandes hornos, consiguiendo la dureza y resistencia deseadas.

3.1.3. Obtencin de la madera

El proceso de obtencin de la madera se compone de las siguientes etapas:

3.1.3.1. Tala

Es la primera operacin para la obtencin de la madera, y la calidad de sta dependerdel aspecto y constitucin del rbol y de la poca de la tala, consiste en el corte delrbol por su base.

Hay que tener en cuenta que un rbol es un ser vivo, por lo que necesita tiempo paradesarrollarse, esto implica que hay que talarlos en su madurez, pues si se talarantodos los rboles de un bosque a la vez, se necesitara un tiempo demasiado largopara volver a explotar ese bosque. Para evitar esto, se utilizan varios mtodos de talassostenibles, siendo las ms representativas:

Mtodo de talas parciales: consiste en dividir el bosque en parcelas que se talanrotatoriamente y, dependiendo del ciclo de crecimiento del rbol, se talar lasuperficie correspondiente.


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Mtodo de los rboles sembraderos: si los rboles existentes poseen unassemillas que desarrollan fcilmente nuevos rboles, se puede talar prcticamente latotalidad del bosque, dejando algunos rboles diseminados que actuarn dereproductores.

Mtodo de la tala selectiva: los rboles se talan y transportan segn su tamao ycalidad de todas las zonas del bosque. El coste de este mtodo es alto, peropermite que el bosque se conserve en buen estado.

Adems de esto, debe realizarse una conservacin de la masa arbrea, como cortarrboles de gran tamao, que han alcanzado un crecimiento cercano al lmite y, otrosms pequeos que, previsiblemente, crecern menos que otros, consiguiendo as quela competencia por el agua y la luz disminuya, dando lugar a un mejor crecimiento;cortar (podar) algunas ramas para que toda la energa que produce el rbol se destinea generar madera en el tronco o ramas gruesas.

3.1.3.2. TransportePara sacar la madera del bosque a la va accesible ms cercana se utiliza maquinariaespecializada capaz de alcanzar cualquier zona del monte. Una vez aqu, son elcamin y el ferrocarril los medios ms utilizados. Si hay vas de agua se usan paratransportar los troncos.

3.1.3.3. Descortezado

Es decir se le quita la corteza que envuelve el tronco.

3.1.3.4. Tronzado

Consiste en cortar los troncos en piezas ms pequeas.

3.1.3.5. Troceado y despiece (aserrado)

Conjunto de operaciones que se realizan para dividir el tronco en planos paralelos a uneje. El objetivo es conseguir piezas de unas dimensiones determinadas para su uso entaller.

Algunos de los despieces ms utilizados son los que se presentan a continuacin:


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3.1.3.6. Secado

Antes de poder usar las tablas y tablones para fabricar objetos, es necesario reducir elgrado de humedad hasta un valor inferior al 15%. Con esto se consigue evitardeformaciones posteriores, reducir el peso, con el consiguiente ahorro en transporte,incrementar la resistencia a distintos tipos de esfuerzos, reducir las posibilidades de seratacada por hongos e insectos y dejarla en condiciones adecuadas para ser

mecanizada.

Hay tres mtodos:

Secado natural (al aire libre): apilando tablas y tablones en un lugar con buenaventilacin, asilados del suelo y con espacios para que circule el aire. Es unproceso lento pero con buenos resultados.

Secado artificial: se elimina la humedad de forma rpida, y da muy buenosresultados, pero las instalaciones son ms costosas. El secado se puede realizarpor varios procedimientos, como aire caliente, vapor de agua, ozono, calentamiento

elctrico,

Secado mixto: combina los anteriores


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3.1.3.7. Cepillado

Tiene como objetivo principal eliminar cualquier irregularidad y mejorar el aspecto final.

3.1.4. Productos derivados de la madera

El trabajo de la madera, muchas veces requiere piezas de grandes dimensiones nodisponibles en madera maciza. Para ello, se han elaborado una serie de productosprefabricados de dimensiones y grosores variables, en los que se combinan virutas,chapas, aglomerantes, para conseguir el producto adecuado.

Los ms utilizados son los tableros, que se comercializan, normalmente, en grosores quevan entre 3 y 30 mm, y en dimensiones de 1220 x 2440 mm. Existen multitud de variantesde estos tableros, aunque los ms usados son:

3.1.4.1. Aglomerado

Est compuesto de pequeas virutas, fibras de madera y serrn a lo que se ha aadidocola. Una vez mezclado se coloca sobre planchas de medidas normalizadas,presionndolo fuertemente hasta que se haya secado.

Se emplea en revestir techos, fondos de cajones, puertas, divisin de interiores,... Losaglomerados son relativamente econmicos y pesados y se presentan en grandestableros, lo que facilita el corte en piezas adaptadas a la medida exigida.

3.1.4.2. Contrachapado

Consiste en colocar, encolndola, lminas fina de madera noble una sobre otra. Sesuelen disponer de modo que su veteado es perpendicular entre s. El nmero delminas es un nmero impar.


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3.1.4.3. Tableros de fibra

Tambin llamados tableros DM o tblex. Son tableros de madera aglomerada, pero eneste caso la viruta ha sido previamente molida. El serrn molido es mezclado con cola oresina sinttica y prensado.

En los ltimos aos, se ha incrementado el uso de las maderas laminadas. El principio esel mismo que el de los tableros. Se parte de tablones macizos, y se curvan y encolan conformas propias de la construccin: vigas, arcos, La diferencia fundamental est en el tipo

de maderas elegidas, as como en las colas y los tratamientos protectores.

Este tipo de producto ha permitido una importante renovacin en la construccin deestructuras, sobre todo en aquellos casos en los que la habitabilidad del producto suponeuna parte importante de su valor.

Finalmente, otro derivado de la madera de gran utilidad, es el papel. Es una hoja delgada y

lisa, preparado con fibras vegetales. Qumicamente est constituida por celulosa impura,sustancia que forma el armazn de las plantas y que se encuentra en las clulas de lostejidos vegetales.

Las propiedades fsicas y qumicas de las celulosas varan mucho segn la procedencia, loque le dar al papel unas cualidades diferentes. La mayor parte del papel se prepara conpasta de celulosa procedente de la madera, 55%, sobre todo de conferas (pino,), de

otras fibras vegetales denominadas no madereras, como fibras de algodn y de lino enforma de desperdicios, trapos, papeles viejos,

Para fabricar una tonelada de papel a partir de celulosa virgen, se necesitan 2400kg de

madera, 200.000 litros de agua y unos 7000kWh de energa; para obtener la mismacantidad con papel usado, se necesitan unos 2000 litros de agua y unos 2500kWh deenerga. Esto implica, que se podran salvar unos 8 millones de hectreas de bosque alao, se evitara el 73% de la contaminacin y se obtendra un ahorro energtico del 60%.

3.1.5. Aplicaciones de la madera

La madera se ha utilizado tradicionalmente en la construccin en columnas y vigas,aunque actualmente ha sido sustituida por el hormign y el acero. Sigue utilizndose en:

Puertas, ventanas, marcos, muebles, Las de gran resistencia mecnica (pino, abeto,

cedro).


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Las volcnicasson las que salen al exterior de la corteza: basalto o piedra pmez.Son porosas y poco resistentes.

Las plutnicasno llegan a aflorar: granito, sienita o gabro. Son duras, resistentes ala intemperie y a los esfuerzos de compresin.

Sedimentarias: partculas de gravas, arenas, que han sido arrastradas por los agentesatmosfricos y que se han asentado en determinadas zonas. Se presentan en forma deestratos y pueden cuartearse fcilmente. No son tan duras como las gneas. Las msutilizadas son: silceas (arenas, gravas), arcillas y calizas.

Las silceasestn formadas porarenas y gravas, consolidadas con otrosmateriales (arenisca). Se usan bsicamente como revestimiento.

Las arcillosasproceden de las rocas gneas, formadas por silicatos de aluminio(caoln). Usadas para cemento y ladrillos.

Las calizasse usan en construccin, como revestimiento o como conglomerantes.Tienen elevada resistencia a la compresin. Calcita: carbonato de calcio y yeso.

Metamrficas: si las rocas anteriores sufren grandes presiones y elevadas temperaturas,se producen transformaciones en la estructura cristalina de las rocas y dan lugar a lasmetamrficas. Las ms importantes son los mrmoles, pizarras y gneis.

El mrmoles carbonato de calcio, admite el pulimento y se emplea principalmentecomo piedra ornamental.

La pizarraest formada por arcilla y esquistos (roca de grano muy fino). Se exfolia

fcilmente en lminas y se usa principalmente para techumbres.

El gneisse usa principalmente en pavimentos.

3.3. Materiales cermicos

Bajo esta denominacin estn los elementos fabricados a partir de materiales terrososcocidos. Las materias primas son arcilla (le da consistencia) o caoln (que es un tipo de arcillamuy pura y le aporta color blanco y textura fina) que, una vez moldeada, se somete a unproceso de secado y coccin posterior que le hace perder agua y convierte a estos materialesen duros pero frgiles.

Propiedades generales:

Plsticos cuando se introducen en agua

Duros y frgiles en ausencia de agua

Resisten altas temperaturas

Baja porosidad


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Se clasifican en:

Cermicos porosos: no han sufrido vitrificacin (que adoptan un aspecto similar al vidrio),pues no llega a fundirse el cuarzo con la arena. Destaca la arcilla cocida y la loza (cuyamateria prima es la arcilla).

Cermicos impermeables: han sufrido vitrificacin, pues la mezcla ha sido sometida aaltas temperaturas y el cuarzo llega a fundirse con la arena. Destacan el gres y laporcelana (cuya materia prima es el caoln).

Veamos algunos de los ms usados:

Ladrillos y tejas: fabricados con arcilla de muy diversa calidad, segn la zona geogrficade procedencia. Una vez moldeados se secan y cuecen a 900 1200C, lo que aumentasu resistencia mecnica. Existen muchas calidades y formas segn la aplicacin deseada.

Azulejos y pavimentos cermicos: hechos con arcillas especiales que, durante su

moldeo, se prensan a altas presiones y se revisten de un material (barniz coloreado) que,tras el proceso de cocido presenta una dureza alta.

Porcelana y loza: a base de caoln, arcillas blancas, slice y feldespato finamentepulverizados. La porcelana est totalmente vitrificada tras ser sometida a dos procesos decoccin; sin embargo, la loza slo presenta su cara externa vitrificada. Poseen unaespecial resistencia al calor y a agentes qumicos por lo que, ms que en construccin, seemplean para material de cocina y sanitarios (loza), laboratorio, aislantes elctricos(porcelana)

Materiales refractarios: formados por arcillas refractarias, de alto contenido en slice. Seusan para revestimiento de hornos industriales (altos hornos y convertidores) y otrasaplicaciones, donde deben resistir altas temperaturas sin fracturarse. Soportan entre 1400 1600C. Para temperaturas superiores se aade un aglomerante orgnico.

Vidrio: material cermico formado por la fusin a altas temperaturas (>1000C) de:

Arena o slice (SiO2), un 75%, es el elemento principal, le confiere resistenciamecnica.

Sosa (NaCO3), un 15%, acta como fundente, bajando el punto de fusin.

Caliza (CaCO3) en un 10%, es un estabilizante. Le suministra dureza y brillo

Otros componente que dependern del tipo de vidrio a obtener (colorantes,)

Es un material duro, transparente, con estructura amorfa (no cristalina) y con elevadaresistencia a la traccin.

Fibra de vidrio: se obtiene mediante extrusin de la masa de vidrio a travs de unasboquillas con dimetro inferior a 0,1 mm. Los hilos obtenidos se deshilachan con vaporrecalentado y posteriormente se secan. A continuacin unos rodillos los estiran paraaumentar su resistencia. Se les somete a una ligera torsin y se enrollan en una bobina.

Con la fibra de vidrio se producen filamentos a partir de los que se obtienen tejidos yfieltros que se emplean como aislantes trmicos y acsticos. Tambin se usan parareforzar planchas de escayola y distintos tipos de plsticos.


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3.4. Materiales aglomerantes

Son materiales con propiedades adhesivas que, amasados con agua, fraguan (compactanmateriales) primero y endurecen despus. Los ms importantes son la cal, el yeso y elcemento.

Cal: es el producto resultante de la descomposicin de las rocas calizas (CaCO3), segn lareaccin:

CaCO3 + calor CaO + CO2

Se produce en hornos de cal denominados caleras a temperaturas cercanas a los 900C.El producto obtenido es la cal viva u xido de calcio. Este xido reacciona de maneraexotrmica con el agua, alcanzando los 160C y originndose hidrxido de calcio, tambinllamado cal apagada.

CaO + H2O Ca (OH)2 + calor

La cal apagada se endurece lentamente al aire por un proceso de carbonatacin(absorcin de CO2) producindose de nuevo carbonato clcico y actuando comoaglomerante. Este proceso slo se produce en aire seco y acaba a los seis meses. Esta calse denomina area y experimenta una contraccin durante el fraguado que puede darlugar a la formacin de grietas.

Yeso: es una sustancia natural que se obtiene a partir de las piedras de yeso (sulfatoclcico dihidratado; CaSO4 2H2O). Se extrae en canteras de superficie, se tritura y secuece a altas temperaturas (450C) para provocar su deshidratacin. Es un material baratoya que, ni el proceso de extraccin ni el de obtencin requieren grandes aportesenergticos.

Material conocido desde el tiempo de los egipcios y muy empleado por lo rabes. Fraguaen contacto con el agua. Se adhiere muy bien a infinidad de elementos salvo la madera.Tampoco debe usarse en la sujecin de materiales frricos, pues provoca su oxidacininmediata. Su principal inconveniente es que es higroscpico (absorbe mucho lahumedad), por lo que no debe emplearse para exteriores.

Se clasifica en:

Yeso negro: obtenido de modo tradicional. Se usa para enlucidos de obras no

vistas.

Yeso blanco: mayor pureza que el anterior, mejor molido. Se usa en enlucidos yestucados (yeso blanco + agua de cola) de paredesvistas.

Escayola: yeso de mayor calidad, molido hasta obtenerpolvo impalpable. Se usa en acabados, molduras ydecoracin de interiores.


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Cemento y hormign: el cemento se considera un aglomerante (especie de pegamento)en forma de polvo que tiene la propiedad de endurecer (fraguar) una vez que se le haaadido agua y se ha dejado secar, incluso en ausencia de oxgeno. Cuando fraguaadquiere una buena resistencia a la compresin.

Existen muchas variedades de cemento, aunque la ms conocida y empleada es elcemento Portland. Es una mezcla de cal (CaO, 60 67%), slice (SiO2, 17 25%) yalmina (Al2O3, 3,6 8%), tambin algo de xido de hierro y de magnesio (Fe2O3, 0,5 6%y MgO, 0,1 5%) que fragua cuando se mezcla con agua.

Su proceso de fabricacinconsta de las siguientes fases:

Preparacin del crudo: las materias primas se extraen de las canteras, se triturany se muelen, mezclndose a continuacin, bien sea en seco o en hmedo.

Calcinacin: la mezcla se calcina en un horno rotatorio que gira sobre un ejeinclinado, a una temperatura entre 1300 1400C. Se forma una masa de granosduros, de 3 20 mm de dimetro, que recibe el nombre de clnquer.

En el extremo inferior el clnquer pasa a unos enfriadores y se almacena.

Molienda: se muele el clnquer en unos molinos enfriados exteriormente con aguapara favorecer la disipacin del calor liberado. Durante esta operacin se le aadeyeso (2 - 3%), para regular el fraguado posterior del cemento.

Una vez molido se almacena en silos (lugar subterrneo seco y oscuro) y se envasaen sacos o bien se transporta en cisternas.

La reaccin de fraguado de este cemento tiene lugar en dos fases: la primera es rpida,en unas 24 horas; la segunda consiste en un endurecimiento lento, lo que requiere tiemposcercanos al mes.

Las caractersticas del cemento son:

Baja resistencia a la traccin.

Alta resistencia a la compresin.

Es atacado lentamente por el agua, cidos diluidos y algunas soluciones salinas.

Baja relacin coste/peso.

En aplicaciones se usa mezcladocon ridos (arena, gravilla, o grava)como aglomerante en construccinen forma de mortero (sin grava),como material de construccin en elhormign, como cemento prensadoen losetas para pavimentos y piezasprefabricadas en funciones de

ladrillera,


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El hormign es la mezcla de cemento, arena y agua al que se le suele aadir grava. Lasproporciones de los componentes depende del tipo de hormign que se desee (dureza,tiempo de fraguado, resistencia a agentes ambientales,).

La cantidad de cemento/m3 de hormign influye en su impermeabilidad y en su resistencia

mecnica, pero a la vez aumenta su contraccin durante el fraguado provocando grietas,por lo que no debe sobrepasarse el lmite de 460kg/m3.

Es un material muy resistente a la compresin, pero no a la traccin, por lo que no esadecuado para vigas. Para mejorar esta propiedad, es necesario recurrir al hormignarmado y al hormign pretensado.

El hormign armado se obtiene aadiendo al hormign fresco una armadura de varillas obarras de acero debidamente dimensionadas. Se consigue as un material resistente tantoa la traccin como a la compresin.

La obtencin deestructuras de hormignarmado se realiza de lasiguiente manera: se disponede un encofrado o molde conla forma del elemento deconstruccin que se deseaconseguir, se introduce en lla armadura de acero y sevierte el hormign fresco enel interior del encofrado de

modo que recubra yenvuelva la armadura.Cuando el hormign hafraguado se retira elencofrado y se obtiene el elemento.

En el caso de una viga, la armadura se sita en la zona inferior del elemento, sometida aesfuerzos de traccin, mientras que la masa de hormign se acumula en la zona superiorsometida a esfuerzos de compresin. As, las vigas soportan bien los esfuerzos de flexin.

El recubrimiento de hormign, una vez fraguado, garantiza la impermeabilidad de laestructura y por tanto la inoxidabilidad de la armadura de acero.

Como la unin entre el hormign y el acero es puramente mecnica, es conveniente quelas barras de refuerzo estn retorcidas o posean salientes superficiales, incrementando asla adherencia y evitando el deslizamiento.

El hormign pretensado es necesario cuando los esfuerzos de traccin a los que sesomete el hormign armado son muy grandes. En este caso, las barras de las armaduraspueden experimentar dilatacin elstica, con lo que el hormign que las recubre se rompe.

Para mejorar esta resistencia a la traccin, hay que tensar las barras de acero para

compensar la dilatacin. As se obtiene el hormign pretensado, que es una variedad delhormign armado cuyas barras han sido tensadas.

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