Ensayo de compresión: cómo se realiza, propiedades, ejemplos
El ensayo de compresión es un experimento que se lleva a cabo comprimiendo progresivamente una muestra de material, por ejemplo hormigón, madera o piedra, conocida como probeta y observando la deformación que produce el esfuerzo o carga de compresión aplicado.
Un esfuerzo de compresión es producido por dos fuerzas aplicadas a los extremos de un cuerpo con la finalidad de reducir su longitud al comprimirlo.
Al mismo tiempo, su área de sección transversal se va ensanchando, tal como se aprecia en la figura 1. A medida que se aplican esfuerzos cada vez mayores, las propiedades mecánicas del material se van poniendo de manifiesto.
Índice del artículo
- 1 ¿Cómo se aplica el esfuerzo de compresión?
- 2 Propiedades y datos que se obtienen
- 3 Ejemplos de esfuerzos de comprensión
- 4 Referencias
Para aplicar el esfuerzo de compresión, la muestra, preferiblemente en forma de cilindro de sección transversal circular, se coloca en una máquina, conocida como máquina universal de ensayos, la cual comprime la probeta progresivamente en incrementos de presión previamente establecidos.
Los puntos de la curva de esfuerzo (en newton/m2) versus la deformación unitaria ε se van graficando a medida que se generan. El esfuerzo es la razón entre la fuerza aplicada y el área de la sección transversal, mientras que la deformación unitaria es el cociente entre el acortamiento ΔL y la longitud original de la probeta Lo:
ε = ΔL/ Lo
Del análisis de la gráfica se deducen las propiedades mecánicas del material ante la compresión.
A medida que avanza el experimento, la muestra se va acortando y ensanchando, como se ve en la figura 1, o también se tuerce o se dobla, dependiendo de la longitud inicial de la probeta. El experimento termina cuando se produce una falla o fractura en la muestra.
Del ensayo de compresión se obtienen las propiedades mecánicas del material ante la compresión, por ejemplo el módulo de elasticidad y la resistencia a la compresión, muy importantes en los materiales empleados en la construcción.
Si el material a probar es quebradizo, eventualmente se va a fracturar, así que la resistencia última se encuentra fácilmente. En este caso se toma nota de la carga crítica, el tipo de falla que presente el material y la forma de la fractura.
Pero si el material no es quebradizo sino dúctil, esta resistencia última no se va a manifestar con facilidad, por lo que el ensayo no se prolonga indefinidamente, ya que a medida que aumenta el esfuerzo, el estado de tensión interna de la probeta deja de ser uniforme. En ese punto se pierde la validez de la prueba.
Para que los resultados sean fiables, es necesario que las fibras internas del material se mantengan paralelas, pero la fricción interna hace que las fibras se doblen y la tensión deje ser homogénea.
Lo primero es considerar el tamaño inicial de la probeta antes de comenzar la prueba. Las probetas más cortas, llamadas probeta de compresión, tienden a tomar forma de barril, mientras que las probetas más largas, denominadas probetas de columna, se pandean.
Existe un criterio conocido como razón de esbeltez, que es el cociente entre la longitud inicial Lo y el radio de giro Rg:
r = Lo / Rg
A su vez Rg = √ (I /A) Donde I es el momento de inercia y A es el área de sección transversal.
Si la razón de esbeltez es menor que 40, trabaja como probeta de compresión, y si es mayor de 60 trabaja como columna. Entre 40 y 60 la probeta tendría un comportamiento intermedio que es preferible evitar, trabajando con razones menores de 40 o mayores de 60.
El ensayo de compresión es análogo al ensayo de tensión o tracción, solo que en vez de estirar la probeta hasta la ruptura, es la resistencia a la compresión lo que se pone a prueba esta vez.
El comportamiento del material suele diferir en la compresión y la tracción, y otra diferencia importante es que las fuerzas en el ensayo de compresión son mayores que en el ensayo de tensión.
En un ensayo de compresión, por ejemplo de una muestra de aluminio, la curva esfuerzo-deformación es ascendente, mientras que en el ensayo de tensión asciende y luego desciende. Cada material tiene una curva de comportamiento propia.
En la compresión el esfuerzo se considera negativo por convención, así como la deformación producida, que es la diferencia entre la longitud final y la inicial. Por esto una curva esfuerzo-deformación estaría en el tercer cuadrante del plano, sin embargo la gráfica se lleva al primer cuadrante sin problema.
En general hay dos zonas bien diferenciadas: la zona de deformación elástica y la zona de deformación plástica.
Deformación elástica
Es la región lineal de la figura, en la cual el esfuerzo y la deformación son proporcionales, siendo la constante de proporcionalidad el módulo de elasticidad del material, denotado como Y:
σ =Y. ε
Como ε es la deformación unitaria ΔL/Lo, no tiene dimensiones y las unidades de Y son las mismas que las del esfuerzo.
Cuando el material trabaja en esta zona, si la carga se retira, las dimensiones de la probeta vuelven a ser las originales.
Deformación plástica
Comprende la parte no lineal de la curva de la figura 5, aunque la carga se retire, la probeta no recupera sus dimensiones originales, quedando deformada permanentemente. En el comportamiento plástico del material se distinguen dos regiones importantes:
–Cedencia: la deformación aumenta sin que se incremente la carga aplicada.
–Deformación: si la carga continúa aumentando, eventualmente se produce la ruptura de la probeta.
En la figura se muestra la respuesta del concreto en un ensayo de compresión (tercer cuadrante) y en un ensayo de tensión (primer cuadrante). Se trata de un material con respuesta de compresión diferente a la de la tensión.
El rango de respuesta elástica lineal del concreto a la compresión es mayor que a la tensión, y de la extensión de la curva se ve que el concreto es mucho más resistente ante la compresión. El valor de ruptura del concreto ante la compresión es de 20×106 N/m2.
Por esto el concreto es adecuado para construir columnas verticales que deban soportar compresión, pero no para vigas. El concreto se puede reforzar mediante cabillas de acero o mallas de metal mantenidas bajo tensión mientras el concreto se seca.
Se trata de otro material con un buen comportamiento ante la compresión (curva AC en el tercer cuadrante), pero frágil cuando se somete a tensión (curva AB en el primer cuadrante).
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