Rivera Sandoval

EL ENSAYO DE COMPRESIÓN

Se ha señalado anteriormente que, cuando menos en teoría, el ensayo de compresión es meramente lo contrario del de tensión con respecto a la dirección o el sentido del esfuerzo aplicado. Asimismo, un número de principios generales se desarrolló a través de la sección sobre el ensaye de tensión los cuales son igualmente aplicables al ensaye de compresión. Es importante señalar que existen, sin embargo, varias limitaciones especiales del ensayo de compresión a las cuales se debe dirigir la atención:

La dificultad de aplicar una carga verdaderamente concéntrica o axial.

2.      El carácter relativamente inestable de este tipo de carga en contraste con la carga tensiva. Existe siempre una tendencia al establecimiento de esfuerzos flexionantes y a que el efecto de las irregularidades de alineación accidentales dentro de la probeta se acentúa a medida que la carga prosigue.

3.      La fricción entre los puentes de la máquina de ensaye o las placas de apoyo y las superficies de los extremos de la probeta debido a la expansión lateral de esta. Esto puede alterar considerablemente los resultados que se obtendrían si tal condición de ensayo no estuviera presente.

4.      Las áreas seccionales, relativamente mayores de la probeta para ensayo de compresión para obtener un grado apropiado de estabilidad de la pieza. Esto se entiende en la necesidad de una máquina de ensaye de capacidad relativamente grande o probetas tan pequeñas y, por lo tanto, tan cortas que resulta difícil obtener de ellas mediciones de deformación de precisión adecuada.

Se supone que se desean las características simples del material y no la acción de los miembros estructurales como columnas, de modo que la atención se limita aquí al bloque de compresión corto.

REQUERIMIENTOS PARA PROBETAS DE COMPRESIÓN:

Para el esfuerzo uniforme de la probeta de compresión, una sección circular es preferible a otras formas, a pesar de ello, la sección cuadrada o rectangular se usa frecuentemente y para piezas manufacturadas, tales como el azulejo.

La selección de la relación entre la longitud y el diámetro de una probeta de compresión parece ser más o menos un compromiso entre varias condiciones indeseables. A medida que la longitud de la probeta se aumenta, se presenta una tendencia creciente hacia la flexión de la pieza, con la consiguiente distribución no uniforme del esfuerzo sobre una sección recta. Se sugiere una relación entre altura y diámetro de 10 como un límite superior aunque en la práctica el tamaño real depende del tipo de material, del tipo de mediciones a realizar, y del aparato de ensaye disponible[1].

Los extremos a los cuales se aplica la carga deben ser planos y perpendiculares al eje de la probeta o, de hecho, convertidos así mediante el uso de cabeceo y dispositivos de montaje, los tramos de calibración para mediciones de deformación deben preferiblemente ser más cortos que el largo de la probeta cuando menos el diámetro de la probeta.

PROBETAS STANDARD

Las probetas para ensayos de compresión de materiales metálicos recomendados por la ASTM son los mostrados en la figura 1 y en la tabla 1.

Figura 1 - Las probetas para ensayos de compresión de materiales metálicos de formas no similares (ASTM E 9)
(Ensaye e Inspección de los Materiales)

Tabla 1 - Dimensiones sugeridas para las probetas (Ensaye e Inspección de los Materiales)

Para materiales tales como el concreto, la piedra y el ladrillo, sin embargo, una cama, con o sin el uso de placas de remate acompañantes, usualmente resulta necesaria. Los materiales comúnmente usados para camas son el yeso, el Hidrostone[2], los cementos de fraguado rápido, y los compuestos de sulfuro. Al asentar las placas de remate, debe tenerse la precaución de asegurar la perpendicularidad entre la superficie del apoyo y el eje de la probeta. Usualmente se utiliza una plantilla con ese propósito.

Es deseable que el material de cabeceo posea un módulo de elasticidad y una resistencia cuando menos iguales a los del material de probeta[3], hay que tener presente que si un compuesto para taponear contiene agua, ello puede afectar la resistencia de los materiales absorbentes como el ladrillo, de modo que una capa de goma laca o una hoja de papel encerado se fija sobre los extremos de la probeta antes de rematarla.

Así como los materiales sueltos, tales como la arena o los pequeños balines de acero no han resultado eficaces para los retacados de los extremos y los retacados suaves tales como las láminas de hule y las placas de fibra deben evitarse. Pues tienden a fluir lateralmente bajo cargar y causar que la probeta se parta.

Las placas sencillas de apoyo o remate deben llevar superficies maquinadas, planas y paralelas[4].

El objeto del bloque es contrarrestar el efecto de una pequeña falta de paralelismo entre el puente de la máquina y la cara extrema de la probeta, confiriendo a la probeta una distribución inicial de la carga tan pareja como sea posible es deseable que el bloque de apoyo esféricamente asentado, esté en el extremo superior de la probeta. Para que la resultante de las fuerzas aplicadas al extremo de la probeta no quede excéntrica con respecto al eje de la probeta, es importante que el centro de la superficie esférica de este bloque yazca en la cara plana que se apoya en la probeta, y que la probeta misma sea cuidadosamente centrada con respecto al centro de esa superficie esférica. Debido a la aumentada resistencia a la fricción a medida que la carga crece. En algunas condiciones de ensayo el bloque de apoyo esféricamente asentado puede omitirse mientras que en otras dos de tales bloques pueden requerirse, el bloque debe tener un diámetro igual o ligeramente mayor que el de la probeta.

Realización de los ensayos.

En los ensayos comerciales la única propiedad ordinariamente determinada es la resistencia a la comprensión. Para los materiales quebradizos en los cuales ocurre una fractura, la resistencia última se determina fácil y definitivamente, mientras que para aquellos materiales en los cuales no hay un fenómeno singular que marque la resistencia última se toman límites de deformación arbitrarios como criterios de resistencia. En los ensayos para determinar la resistencia a la cadencia de los metales en comprensión.

Las dimensiones deben determinarse con una precisión apropiada. Las precisiones recomendadas para mediciones transversal seccionales en la labor ordinaria son las siguientes: el 0.001 plg más cercano: concreto y madera, hasta el 0.01 plg más cercano. En las probetas cilíndricas las mediciones deben hacerse sobre cuando menos, dos diámetros mutuamente perpendiculares. Si se requieren pesos unitarios, las probetas deben medirse ordinariamente con una precisión de aproximadamente 0.5%. Debe tenerse mucho cuidado para lograr el centrado y la alineación de la probeta y la de los bloques de apoyo en la máquina de ensayo. Para una labor cuidadosa se debe realizar un esfuerzo para hacer coincidir los ejes de la probeta y los bloques de apoyo con un eje que pase por los centros del puente y de la placa de base de las máquinas dentro de 0.01 plg. Mientras se está bajando el puente de la máquina para establecer contacto con el bloque de apoyo esférico, es deseable hacer girar lentamente a mano la parte superior del bloque en un plano horizontal para facilitar el asentamiento del bloque.

Al ensayar los metales, los extremos de la probeta y las caras de los bloques de apoyo deben limpiarse con acetona o cualquier otro solvente adecuado inmediatamente antes del ensayo para quitar la grasa y el aceite que pudieran influir en la restricción friccional de las superficies extrémales (ASTM E 9).

Para la máquina de engranes de tornillos, la velocidad de ensaye en compresión es todavía comúnmente especificada en términos de velocidad de marcha del puente movible. La tabla 2 muestra algunos requerimientos de la ASTM sobre la velocidad del ensayo de compresión.

Tabla 2 - Varios requerimientos de la ASTM sobre la velocidad de ensaye de compresión
(Ensaye e Inspección de los Materiales)

En un ensayo de compresión, una distribución de esfuerzos absolutamente uniformes prácticamente nunca se alcanza. Al realizar determinaciones precisas de esfuerzo y deformación con la mira de encontrar el límite proporcional resulta pues deseable medir las deformaciones a lo largo de cuando menos tres líneas de calibración con 120º de separación alrededor de una pieza cilíndrica, para determinaciones ordinarias del módulo de elasticidad, un compresómetro del tipo de promediación es usualmente suficiente.

Observaciones de ensayo.

La identificación, las dimensiones, las cargar críticas, las lecturas compresométricas, el tipo de la falla, incluyendo los croquis etc.., se registran en una forma apropiada al tipo de ensayo y la extensión de los datos a tomar.

Los materiales quebradizos comúnmente se rompen ya a lo largo de un plano diagonal, o ya con una fractura en forma de cono (probetas cilíndricas) o pirámide (probetas cuadradas), ocasionalmente denominada fractura en forma de reloj de arena el hierro fundido usualmente falla a lo largo de un plano inclinado, esencialmente fallas por corte.

Para un material cuya resistencia a la falla se deba tanto a la fricción interna como a la cohesión y el cual se comporte de acuerdo con la teoría de la ruptura de Mohr[5], el ángulo de ruptura no es de 45º (plano de máximo esfuerzo cortante), sino una función del ángulo de fricción interna. El estado de esfuerzo al ocurrir la falla en un elemento sometido a un esfuerzo principal uniforme en solamente una dirección.

De la representación de los ángulos de la ruptura en el diagrama circular de Mohr (figura 2) se puede demostrar que a = 45º - 0/2 o 0 =45º +0/2.

Figura 2 - Relación entre el ángulo de ruptura y el ángulo de fricción interna (Ensaye e Inspección de los Materiales)

El comportamiento de materiales tales como hierro fundido, el concreto o la cerámica no se ajustas exactamente al predicho por la teoría de ruptura de Mohr, parcialmente porque su composición no homogénea causa irregularidades en el patrón de esfuerzo. Además, el ángulo de ruptura puede ser desviado un poco del valor teórico debido a la compleja condición de esfuerzos inducida en las porciones extrémales de las probetas de compresión de la restricción contra la expansión lateral bajo carga causada por la fricción entre las placas de apoyo y las superficies extrémales este efecto de la restricción lateral de los extremos se torna más pronunciado en las probetas cortas.

Si la probeta es tan corta que un plano normal de falla no pueda desarrollarse dentro de la longitud de la probeta, entonces la resistencia es apreciablemente incrementada y otros tipos de falla tales como el aplastamiento, pueden ocurrir con los materiales quebradizos en probetas cortas, cuando existe una combinación de alta resistencia a la compresión y expansión lateral irrestricta en los extremos, las piezas frecuentemente fallas por separación en forma de fragmentos columnares, arrojando lo conocido como una falla por rajadura o fractura columnar. El flujo lateral de una veta tiende a producir una falla por rajadura.

Si la probeta es tan corta que un plano normal de falla no pueda desarrollarse dentro de la longitud de la probeta, entonces la resistencia es apreciablemente incrementada y otros tipos de falla tales como el aplastamiento, pueden ocurrir como los materiales quebradizos en probetas cortas, cuando existe una combinación de alta resistencia a la compresión y expansión lateral irrestricta en los extremos, las piezas frecuentemente fallan por separación en forma de fragmentos columnares, arrojando lo conocido como una falla por rajadura o fractura columnar. El flujo lateral de una veta tiende a producir una falla por rajadura.

Efectos de las variables importantes. El efecto del tamaño y de la forma de las probetas de materiales quebradizos. La ASTM da factores de corrección a aplicar a la resistencia de probetas de concreto tomados de estructuras de concreto para obtener resistencias equivalentes a las del cilindro normal con una relación entre longitud y diámetro de 2. Las resistencias a la comprensión relativas de los cilindros grandes de concreto están ilustradas en la tabla 5.6. Estos datos se han resumido de ensayos realizados por la Agenda de Rehabilitación de los Estados Unidos.

Las condiciones extremas en el momento del ensayo, el método de rematación y las condiciones extremales antes del rematado pueden tener un efecto pronunciado sobre la resistencia a la compresión de cilindros de concreto para ensayos (565,566). Los cilindros moldeados con placas maquinadas para producir extremos convexos y ensayos sin remate arrojan reducciones pronunciadas de la resistencia aun para una pequeña cantidad de convexidad. Para una convexidad de solo 0.01 plg en un cilindro de 6 plg de diámetro, ensayos de proporciones de 1:2 y 1:5 han acusado reducciones de la resistencia de aproximadamente 35 y 20% respectivamente (565). Esto demuestra la importancia de tener extremos planos en las probetas. También han demostrado que mientras más alta sea la resistencia a la compresión del material del remate, más alta será la resistencia indicada del concreto y menor el efecto de los extremos irregulares antes del rematado sobre la resistencia indicada del concreto normal puede reducirse tanto como un 10% aun para cilindros con extremos planos, pero para extremos irregulares antes del rematado las resistencias pueden reducirse hasta en un 25%.

La velocidad de ensaye tiene un efecto definido sobre la resistencia a la compresión aunque el efecto es usualmente muy pequeño dentro de los rengos de velocidad usados en el ensaye ordinario. Los resultados de los ensayos sobre el concreto indican que la relación entre la resistencia y la velocidad de carga es aproximadamente logarítmica, mientras más rápida es la velocidad más alta es la resistencia indicada. La resistencia de una probeta cargada, digamos, a 6000 lb. / Plg/ min. Sería, aproximadamente 15% mayor que la resistencia de una probeta cargada a 100 lb/plg/min. El módulo de elasticidad también parece aumentar con la velocidad de carga, aunque la mayoría de los observadores han atribuido este efecto a la reducción del creep durante el periodo de ensayo.

[1] Para materiales homogéneos para los cuales se requiera solamente la resistencia última, pueden usarse probetas pequeñas.
Para materiales heterogéneos debe ajustarse al tamaño de las partículas componentes o agregados.

[2] Compuesto de gilsonita de alta resistencia.

[3] La cabeceada debe ser tan delgada como sea práctico.

[4] El material de la placa de apoyo deberá ser fuerte y duro en relación con el de la probeta.

[5] La teoría de Mohr-Coulomb es un modelo matemático que describe la respuesta de materiales quebradizos, a esfuerzo cortante, así como tensión normal. La mayoría de los materiales en ingeniería clásica se comportan siguiendo esta teoría al menos en una parte del corte. En general, la teoría se aplica a los materiales para los que la resistencia a la compresión es muy superior a la resistencia a la tracción, caso de los materiales cerámicos.

La hipótesis de Coulomb se emplea para determinar la combinación de esfuerzo cortante y normal que causa una fractura del material. El círculo de Mohr se utiliza para determinar los ángulos donde esas tensiones sean máximas

CUESTIONARIO DEL ENSAYO DE COMPESIÓN

1. La norma ASTM E-9 reconoce tres tipos de probetas, mencione y grafique su clasificación.

La norma ASTM E-9 indica en su numeral 5 “Probetas de Prueba” que dichas probetas de material metálico son reconocidas y designadas como cortas, medianas y largas.

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2. Explique las propiedades físicas y mecánicas que determina el ensayo de compresión.

La información obtenida en el ensayo de compresión puede incluir punto y fuerza de cedencia, el módulo de elasticidad y, para algunos materiales, fuerza de compresión. En el caso de un material que fallé en compresión por una fractura, el esfuerzo de compresión es un valor muy definitivo. En caso contrario, es un valor arbitrario el cual depende del grado de distorsión considerado como indicación de una falla completa del material.

3. El ensayo de compresión consiste en:

Aplicar una carga estática en dirección de su eje longitudinal con el objetivo de provocar un acortamiento, permitiendo medirlo mientras cierta carga es aplicada, hasta el punto de ruptura o la suspensión del ensayo. Normalmente este ensayo abarca probetas cilíndricas, el esfuerzo de compresión en probetas rectangulares o con forma de “hoja” rara vez puede ser determinado debido a que la falla usualmente ocurre un pandeo en zonas aisladas antes que se llegue al esfuerzo de compresión de un material.

4. Mencione la aplicaciones de la prueba de compresión en uso industrial

5. Durante el desarrollo de la práctica que representa la carga de ruptura.

Carga máxima soportada por el material a la compresión, esto quiere decir que este valor determinará cuanto esfuerzo soporta un material antes de fracturarse.

6. Explique a que se le conoce como material maleable.

La maleabilidad es la capacidad de los materiales a deformarse permanentemente bajo cargas compresivas.

7. Mencione los tipos de mordaza que se ocupan para la sujeción de probetas.

Ninguno, en esta práctica la probeta se coloca sobre un plato.

8. Explique el procedimiento de armado de maquinaria así como los cuidados que se deben tomar para obtener un resultado satisfactorio.

Se coloca el plato superior en el cabezal de arriba, se sujeta con un tornillo.

Se coloca el plato inferior sobre la mesa de la máquina con un disco que encaja perfectamente en la cavidad.

Cuidados del ensayo:

(Extracto del punto 7.1 norma ASTM E 9-70) Al realizar ensayos de compresión, se debe tener cuidado de conseguir y mantener el alineamiento de las cabezas de la máquina de prueba (platos), los bloques de apoyo y el eje de la probeta. Es importante que la probeta sea perfectamente centrada con respecto al bloque de apoyo, que a su vez debe ser centrado con las cabezas de la máquina. El uso de una subprensa tiende a ayudar a eliminar efectos dañinos de cualquier movimiento lateral de las cabezas.

9. Mencione las habilidades adquiridas durante el ensayo.

Ensayo similar al de tensión, permitió desarrollar habilidades de seguridad en pruebas, así como practicar el trabajo en equipo y delegación de responsabilidades. Reafirmar la habilidad del control de la maquinaria de pruebas.

10. Represente mediante un cuadro sinóptico los puntos más primordiales para el control y desarrollo del ensayo de compresión.