ESTRUCTURACION DE EDIFICIOS EN MARCOS DE ACERO

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONMA DE MEXICO

FACULTAD DE ARQUITECTURA

TALLER CARLOS LAZO

CONSTRUCCION VI

MARTINEZ GUTIERREZ JONATHAN CHRISTIAN

INTRODUCCION

Acero, aleación de hierro que contiene entre un 0,04 y un 2,25% de carbono y a la que se añaden

elementos como níquel, cromo, manganeso, silicio o vanadio, entre otros.

FABRICACIO DEL ACERO

Arrabio, es un material fundido que se obtiene en el alto horno mediante reducción del mineral de

hierro. Se utiliza como materia prima en la obtención de las aleaciones férricas fundamentales: las

fundiciones y los aceros.

El acero se obtiene eliminando las impurezas del arrabio, producto de fundición de los altos hornos, y

añadiendo después las cantidades adecuadas de carbono y otros elementos. La principal dificultad para

la fabricación del acero es su elevado punto de fusión, 1.400 ºC, que impide utilizar combustibles y

hornos convencionales. En 1855, Henry Bessemer desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre

y en el que el proceso de refinado del arrabio se lleva a cabo mediante chorros de aire a presión que se

inyectan a través del metal fundido. En el proceso Siemens-Martin, o de crisol abierto, se calientan

previamente el gas combustible y el aire por un procedimiento regenerativo que permite alcanzar

temperaturas de hasta 1.650 ºC.

Producción de acero El arrabio fundido se vierte en un crisol abierto para ser convertido en acero. El

acero es una forma de hierro producida a partir de mineral de hierro, coque y

caliza en un alto horno. Para fabricar un acero resistente hay que eliminar el

exceso de carbono y otras impurezas.

PRODUCCION DE ARRABIO

Los materiales básicos empleados para fabricar arrabio son mineral de hierro, coque y caliza. El coque

se quema como combustible para calentar el horno, y al arder libera monóxido de carbono, que se

combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metálico. La ecuación de la reacción

química fundamental de un alto horno es

Fe2O3 + 3 CO → 3 CO2 + 2 Fe

La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de monóxido de carbono y como

sustancia fundente. Este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no se funde a las

temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de fusión. Sin la caliza se

formaría silicato de hierro, con lo que se perdería hierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas

forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno. El arrabio producido

en los altos hornos tiene la siguiente composición: un 92% de hierro, un 3 o 4% de carbono, entre 0,5 y

3% de silicio, del 0,25% al 2,5% de manganeso, del 0,04 al 2% de fósforo y algunas partículas de

azufre.

Un alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero forrada con un material no

metálico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios. El diámetro de la cápsula disminuye

hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su

altura total. La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por

donde se fuerza el paso del aire. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio

cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro

agujero para retirar la escoria. La parte superior del horno, cuya altura es de unos 30 m, contiene

respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de

campana, por las que se introduce la carga en el horno. Los materiales se llevan hasta las tolvas en

pequeñas vagonetas o cucharas que se suben por un elevador inclinado situado en el exterior del horno.

Alto horno Para transformar mineral de hierro en arrabio útil hay que eliminar sus impurezas. Esto se logra en un alto horno forzando el paso de aire extremadamente caliente a través de una mezcla de mineral, coque y caliza, la llamada carga. Unas vagonetas

vuelcan la carga en unas tolvas situadas en la parte superior del horno. Una vez en el horno, la carga es sometida a chorros de

aire de hasta 870 ºC (el horno debe estar forrado con una capa de ladrillo refractario para resistir esas temperaturas). El metal

fundido se acumula en la parte inferior. Los residuos (la escoria) flotan por encima del arrabio fundido. Ambas sustancias se

extraen periódicamente para ser procesadas.

CLASIFICACION DEL ACERO

Los diferentes tipos de acero se agrupan en cinco clases principales: aceros al carbono, aceros aleados,

aceros de baja aleación ultrarresistentes, aceros inoxidables y aceros de herramientas.

Acero al rojo

Componentes estructurales de acero brillan al rojo bajo una temperatura de miles de grados. El calor intenso es un elemento

inseparable de la siderurgia, pues el hierro y el acero admiten mejor operaciones como las de batido y laminado, cuando están

muy calientes.

ACEROS AL CARBONO

Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de

carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los productos

fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las

estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas o pasadores para el pelo.

ACEROS ALEADOS

Estos aceros contienen una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además

de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros se

emplean, por ejemplo, para fabricar engranajes y ejes de motores, patines o cuchillos de corte.

ACEROS DE BAJA ALEACION ULTRARESISTENTES

Esta familia es la más reciente de las cinco grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más

baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos

elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho

mayor que la del acero al carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de

baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que

sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja

aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos

edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su

resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios.

ACEROS INOXIDABLES

Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen

brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases

corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa

resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sus superficies brillantes, en

arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las

tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para

cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o

sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de

preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los

alimentos y pueden limpiarse con facilidad.

ACEROS DE HERRAMIENTAS

Estos aceros se utilizan para fabricar muchos tipos de herramientas y cabezales de corte y modelado de

máquinas empleadas en diversas operaciones de fabricación. Contienen volframio, molibdeno y otros

elementos de aleación, que les proporcionan mayor resistencia, dureza y durabilidad.

PROCESOS DE ACABADO

El acero se vende en una gran variedad de formas y tamaños, como varillas, tubos, raíles (rieles) de

ferrocarril o perfiles en H o en T. Estas formas se obtienen en las instalaciones siderúrgicas laminando

los lingotes calientes o modelándolos de algún otro modo. El acabado del acero mejora también su

calidad al refinar su estructura cristalina y aumentar su resistencia.

El método principal de trabajar el acero se conoce como laminado en caliente. En este proceso, el

lingote colado se calienta al rojo vivo en un horno denominado foso de termodifusión y a continuación

se hace pasar entre una serie de rodillos metálicos colocados en pares que lo aplastan hasta darle la

forma y tamaño deseados. La distancia entre los rodillos va disminuyendo a medida que se reduce el

espesor del acero.

El primer par de rodillos por el que pasa el lingote se conoce como tren de desbaste o de eliminación de

asperezas. Después del tren de desbaste, el acero pasa a trenes de laminado en bruto y a los trenes de

acabado que lo reducen a láminas con la sección transversal correcta. Los rodillos para producir raíles o

rieles de ferrocarril o perfiles en H, en T o en L tienen estrías para proporcionar la forma adecuada.

Laminado en caliente y

colada continua La colada continua (derecha,

flechas rojas) es un método de

trabajar el acero que

transforma el metal fundido en

tochos, lingotes o planchas. El

metal al rojo blanco se vierte

en moldes abiertos y va

pasando a través de rodillos

refrigerados por agua. Una serie de rodillos de guiado va

dando la forma deseada al

acero. Sin embargo, el

laminado en caliente

(izquierda, flechas azules)

sigue siendo el principal método de trabajar el acero. El proceso comienza a partir de planchas de acero que se recalientan en

un foso de termodifusión. El acero pasa por una serie de rodillos o trenes (de desbaste, de laminado y de acabado) que lo van

aplastando progresivamente. Por último, el acero se arrolla en bobinas y se transporta a otros lugares para su procesado.

APLICACIÓN ESTRUCTURAL DE PERFILES Y CONEXIONES METALICAS

El acero de uso estructural es un material de fabricación industrializada, lo cual asegura un adecuado

control de calidad. Este material se caracteriza por una elevada resistencia, rigidez y ductilidad (esto es

capacidad de soportar deformaciones plásticas sin disminuir su capacidad resistente), por cual su uso es

muy recomendable para construcciones sismorresistentes.

En el diseño y verificación de componentes estructurales de acero, uno de los parámetros mecánicos más

importantes es la tensión mínima de fluencia, Fy, Adicionalmente, en algunos estados límite vinculados

con la fractura se aplica la resistencia de tracción mínima, Fu. Ambos parámetros son propiedades

nominales del acero especificado. Los aceros convencionales presentan resistencias menores y mayor

ductilidad, mientras que los aceros de alta resistencia en general presentan una ductilidad reducida.

La dirección en que se laminan los perfiles y placas es la de mayor interés en el diseño de las estructuras, por lo que el

esfuerzo de fluencia en esa dirección, determinado por medio de ensayes estándar de tensión, es la propiedad mecánica que decide, en la mayoría de los casos, el tipo de acero que ha de emplearse. Sin embargo, otras propiedades mecánicas, tales

como anisotropía, ductilidad, tenacidad, facilidad de formado en frío, resistencia a la corrosión, pueden ser también

importantes para el comportamiento correcto de algunas estructuras. Cuando éste sea el caso, habrá que remitirse a la

literatura especializada para obtener la información que permita escoger el material más adecuado.

Según el criterio de estados límite de falla, las estructuras deben dimensionarse de manera que la

resistencia de diseño de toda sección con respecto a cada fuerza o momento interno que actúe en ella

(fuerza axial, fuerza cortante, momento flexionante, momento de torsión) o a la combinación de dos o

más de ellos, sea igual o mayor que el o los valores de diseño de dicha fuerza o momento internos. Las

resistencias de diseño deben incluir el factor de resistencia FR correspondiente. Las fuerzas y momentos

internos de diseño se obtienen, en general, multiplicando por el factor de carga FC correspondiente los

valores de las fuerzas y momentos internos calculados bajo acciones nominales.

En los casos en que los efectos geométricos de segundo orden influyan significativamente en la

respuesta de la estructura, las fuerzas y momentos internos de diseño deben obtenerse multiplicando las

acciones nominales por los factores de carga antes de efectuar el análisis, el que se lleva a cabo con las

acciones nominales factorizadas.

El punto donde el acero cambia del estado elástico al estado plástico, esto es donde empieza a fluir el acero,

se denomina: límite de fluencia (fy).

Las características más importantes del acero se desprenden de las curvas esfuerzo ( ) deformación

( ) obtenidas mediante ensayos de Tensión estandarizados.

La resistencia al esfuerzo cortante (fv) es importante y puede considerarse que es del orden del 75% de

la resistencia a la tensión. El módulo de elasticidad correspondiente a las porciones rectas en la zona

elástica de las curvas esfuerzos-deformación varía poco entre los diversos tipos de acero por lo que se

puede tomar como: Es = 2 x 106 kg/cm2

El peso volumétrico del Acero se puede tomar como: 7.8 t/ m3

-Ventajas del acero como elemento estructural

1. Bajo peso volumétrico

2. Alta resistencia a la tensión y compresión

3. Posibilidad de prefabricación de sección o perfiles.

-Desventajas:

1. Costo

2. Mantenimiento

3. Baja resistencia a la corrosión.

MARCOS RÍGIDOS

El tipo de estructuración más común hoy en día para edificios tanto de concreto como de acero es el que

utiliza marcos rígidos. Los marcos formados por columnas y trabes estan unidos formando uniones

rígidas capaces de transmitir los elementos mecánicos en la viga sin que haya desplazamientos lineales ó

angulares entre sus extremos y las columnas en que se apoya. Sobre las vigas principales, que además de

resistir las cargas verticales ayudan a resistir las cargas laterales, se apoyan en algunos casos las vigas

secundarias encargadas de soportar el sistema de piso.

El empleo de este sistema se debió al desarrollo de nuevos materiales y sistemas de construcción

(concreto armado, acero soldado) y a nuevos métodos de análisis y dimensionamiento. El sistema

convencional Losa_Trabe_Columna (Marco Rígido) ha sufrido variaciones, ejemplo: el desarrollo de la

losa plana que al no contener vigas o trabes redunda en una mayor economía en cimbra, acabados,

peralte, alturas de entrepisos lográndose de esta manera adicionar un entrepiso por cada 10 construidos.

El sistema de marcos rígidos como rigidización horizontal se basa en la rigidez a flexión de los

elementos del marco (columnas y trabes) y en la rigidez a flexión de los nodos.

Marcos contraventeados

El sistema vertical de contraventeo de un construcción de varios pisos, debe ser adecuado para:

a) Evitar el pandeo de la estructura bajo cargas verticales

de diseño; y

b) Conservar la estabilidad lateral de la estructura,

incluyendo los efectos ocasionados por los desplazamientos

laterales (efecto P-Δ), bajo cargas verticales

y horizontales de diseño.

Si el edificio está provisto de muros de cortante ligados a los marcos por medio de losas de concreto u

otros sistemas de piso de rigidez y resistencia adecuadas, esos muros de cortante forman parte del

sistema vertical de contraventeo. En estructuras diseñadas plásticamente, las fuerzas axiales en los

miembros de los marcos contraventeados, producidas por las fuerzas verticales y horizontales de

diseño, no deben exceder de 0.85Py, donde Py es el producto del área de la sección transversal del

miembro por el esfuerzo de fluencia del acero. Las vigas incluidas en el sistema vertical de contraventeo

se diseñarán como elementos flexocomprimidos, teniendo en cuenta las fuerzas de compresión axial

originadas por las cargas horizontales

Marcos sin contraventeo

La resistencia de los marcos que forman parte de edificios carentes de contraventeo y de muros de

cortante se determina con un análisis racional que debe incluir los efectos producidos por

desplazamientos laterales de los niveles (efecto P-Δ) y por la deformación axial de las columnas,

cuando sea significativa. Los marcos deben ser estables bajo cargas verticales de diseño y bajo la

combinación de éstas y las fuerzas horizontales de diseño. En estructuras diseñadas plásticamente, la

fuerza axial de las columnas, producida por solicitaciones de diseño, no excederá de 0.75Py.

Cuando en la estructura haya columnas en las que las vigas se apoyen por medio de uniones que no

transmitan momento flexionante y que, por consiguiente, no contribuyan a la rigidez lateral del

conjunto, el efecto desestabilizador de las cargas verticales que obran sobre ellas se tomará en cuenta al

diseñar las columnas de los marcos rígidos.

Introduciendo un mecanismo de rigidización mediante cables de atirantado en el sistema de transmisión

vertical de las cargas se crean las estructuras de pilares atirantados, los cables pretensados dentro de

pilares inclinados impiden las deformación crítica.

PERFILES

CONEXIONES

La resistencia del hierro y el acero utilizados en la construcción ha aumentado continuamente a medida

que se han producido mejoras en las técnicas de fabricación y producción. A finales del siglo XIX las

tensiones admisibles para la fundición de hierro estaban entorno a los 20 MPa y para el hierro forjado

entorno a 100 MPa. Las actuales tensiones admisibles para el acero, que aparecen en las últimas normas

para diseño de estructuras de acero, son muy superiores. La capacidad portante de estas estructuras

antiguas de hierro y acero obviamente debe ser tenida en cuenta en relación a las normas vigentes en el

momento de su construcción original, aunque con una comprobación a fondo puede ser posible justificar

un ligero aumento de las tensiones permitidas especificadas en ese momento.

Las conexiones deben cumplir los siguientes requerimientos de resistencia:

a. Resistencia requerida a tracción

La resistencia requerida a tracción de las conexiones

debe ser menor que:

• La resistencia a fluencia esperada.

• La máxima carga axial que puede ser transferida, determinada mediante análisis estructural.

b. Resistencia requerida a flexión

c. Resistencia requerida a compresión

Las conexiones totalmente restringidas son aquellas que pueden transferir el momento flector con una

rotación despreciable entre los componentes conectados. Cuando estas conexiones forman parte del

sistema sismorresistente la resistencia requerida a flexión debe tomarse como el menor valor entre 1.1

Ry Mp o el máximo momento que puede desarrollarse en el sistema. Este último surge de considerar que

es razonable limitar la resistencia requerida al máximo momento que puede desarrollarse en la viga.

Existen distintos casos donde la resistencia de las columnas o la resistencia de las fundaciones para

resistir el momento de vuelco pueden limitar el momento máximo en las vigas y, consecuentemente, no

puede desarrollarse su resistencia real a flexión. La resistencia requerida a corte debe determinarse

siguiendo un criterio igual al aplicado para conexiones de pórticos intermedios.

Adicionalmente, las conexiones totalmente restringidas deben cumplir con requerimientos constructivos,

particularmente en el caso de uniones soldadas. Así por ejemplo se requiere la remoción de elementos de

respaldo (backing), se definen las características geométricas de los agujeros de acceso para soldadura.

Las conexiones parcialmente restringidas son aquellas que presentan capacidad para transferir momento

flector, pero se produce una rotación no despreciable debido a la flexibilidad de los elementos de unión.

Este tipo de conexiones están permitidas en pórticos ordinarios si se cumplen los siguientes requisitos:

• La conexión debe diseñarse considerando la resistencia requerida a flexión definida para conexiones

totalmente restringidas.

• La resistencia requerida a corte debe determinarse de las combinaciones de carga considerando el

esfuerzo de corte resultante del máximo momento que la conexión puede resistir.

• La resistencia nominal a flexión no debe ser menor que el 50% del momento de plastificación, Mp, de

la viga o columna conectadas (se considera el valor menor).

• La rigidez y resistencia de la conexión debe ser considerada en el diseño, incluyendo el análisis de la

estabilidad global del pórtico.

CONEXIONES REFORZADAS

En las conexiones con viga de sección, se realiza un corteen las alas del perfil en la zona cercana a la

conexión. De esta forma se logra que la fluencia se concentre en lazona de sección reducida, con un

momento de plastificación menor que el propio de la viga.

RIOSTRAS PARA EL CONTRAVENTEO

En el caso de que los arriostramientos se dispongan de manera que se tienen conexiones enlace-

columna, dicha conexión debe ser capaz de resistir la rotación inelásticas que se genera en el enlace.

Además, la conexión debe ser precalificada, en forma similar a las conexiones viga-columna en pórticos

no arriostrados.

SOLDADURA

La soldadura es un proceso de unión de materiales en la cual se funden las superficies de contacto de

dos (o más) partes mediante la aplicación conveniente de calor o presión.

La soldadura es un proceso relativamente nuevo, su importancia comercial y tecnológica se deriva de los

siguiente:

1. La soldadura proporciona unión permanente

2. La unión soldada puede ser más fuerte que los materiales originales.

3. En general, la soldadura es una forma más económica de unir componentes, en términos de uso

de materiales y costos de fabricación.

4. La soldadura no se limita al ambiente de fábrica. Puede realizarse en el campo.

TIPOS DE SOLDADURA

Soldadura por fusión – estos procesos usan el calor para fundir los materiales base. En muchas

operaciones de soldadura por fusión, se añade un metal de aporte a la combinación fundida para facilitar

el proceso y aportar volumen y resistencia a la unión soldada.

Soldadura de estado sólido – este proceso se refiere a los procesos de unión en los cuales la fusión

proviene de la aplicación de presión solamente o una combinación de calor y presión. Algunos procesos

representativos de este proceso son:

· Soldadura por difusión, las partes se colocan juntas bajo presión a una temperatura elevada.

· Soldadura por fricción, es un proceso similar al de difusión, solo que la temperatura se obtiene

al friccionar las partes a unir.

· Soldadura ultrasónica – se realiza aplicando una presión moderada entre las dos partes y un

movimiento oscilatorio a frecuencias ultrasónicas en una dirección paralela a las superficies de

contacto. La combinación de las fuerzas normales y vibratorias produce intensas tensiones que

remueven las películas superficiales y obtienen la unión atómica de las partes.

LA UNIÓN POR SOLADURA

La soldadura produce una conexión sólida entre dos partes denominada unión por soldadura, así es

como se denomina a este contacto de los bordes o superficies de las partes que han sido unidas.

Tipos de uniones

(a) Unión empalmada – en esta unión, las partes se encuentran en el mismo plano y unen sus

bordes.

(b) Unión de esquina – Las partes en una unión de esquina forman un ángulo recto y se unen en

la esquina del ángulo.

(c) Unión superpuesta – Esta unión consiste de dos partes que se sobreponen

(d) Unión T – Una parte es perpendicular a la otra cuando se unen

(e) Unión de bordes – las partes en una unión de bordes están paralelas con al menos uno de

sus bordes en común y la unión se hace en el borde común.

Existe otros tipos de soldadura como:

1. Soldadura metálica con arco protegido

2. Soldadura metálica con arco eléctrico y gas

3. Soldadura con núcleo fundente

4. Soldadura electro gaseosa

5. Soldadura con arco sumergido

La soldadura por resistencia es principalmente un tipo de soldadura por fusión donde el calor se obtiene

mediante la generación de un gran resistencia eléctrica dirigida hacia el flujo de corriente en la unión

que se va a soldar

TORNILLOS, TUERCAS Y PERNOS

Los tornillos y los pernos son sujetadores con roscas externas. Hay una diferencia técnica entre un

tornillo y un perno, que con frecuencia se confunde en el su uso popular. Un tornillo es un sujetador con

rosca externa que, por lo general, se ensambla en un orificio roscado ciego. Un perno es un sujetador

con rosca externa que se inserta a través de orificios en las partes y se asegura con una tuerca en el lado

opuesto.

Existen distintos tipos de cabezas para los tronillos y los pernos, entre estos destacan los de la siguiente

figura:

Otros sujetadores roscados y equipo relacionado

1) Los insertos con tornillo de rosca son pernos sin cabeza con rosca interna o rollos de alambre

hechos para insertarse en un orificio sin rosca y para aceptar un sujetador con rosca externa. Fig

1.

2) Los sujetadores roscados prisioneros son sujetadores con rosca que han preensamblado

permanentemente a una de las partes que se van a unir. Fig 2.

REMACHES Y OJILLOS

Los remaches son sujetadores que se utilizan ampliamente para obtener una unión permanente en forma

mecánica. Estos remaches son una punta con cabeza y sin rosca que se usa para unir dos(o más) partes,

la punta pasa a través de orificios en las partes y después forma una segunda cabeza en la punta del lado

opuesto.

Los ojetes u ojillos son sujetadores tubulares de paredes delgadas con un reborde en un extremo. Se usan

para producir una unión empalmada permanente entre dos (o más) partes planas.

PROTECCION CONTRA INCENDIO

Los objetivos fundamentales de la seguridad contra incendio son: minimizar el riesgo de vida y reducir

pérdidas patrimoniales. Entiéndase como riesgo devida la exposición severa a humos o calor de los

usuarios de edificios y, a menor nivel, el desprendimiento y la caída de elementos constructivos sobre

los habitantes o los equipos de combate de incendio. La principal causa de muerte en incendios es la

exposición a los humos tóxicos que se presentan en los primeros momentos del siniestro. Por tal razón,

la seguridad de las personas depende principalmente de la rápida evacuación del ambiente en llamas.

Los edificios de dimensiones pequeñas de fácil evacuación requieren menos dispositivos de seguridad y

no requieren que se verifique la seguridad contra incendio de la estructura. Pero los edificios de gran

tamaño que presentan dificultades para evaluar el tiempo de evacuación y en que un eventual

desprendimiento puede afectar al vecindario o al equipo de combate, exigen mayor seguridad y

verificación del comportamiento de la estructura frente a incendios. La pérdida patrimonial es la

destrucción parcial o total de la edificación, de los contenidos y terminaciones del edificio siniestrado.

No basta identificar el posible daño que el fuego causa a la propiedad, sino que por razones económicas

también es necesario evaluar la magnitud del daño que puede ser considerado tolerable a fin de

optimizar los costos mediante dispositivos de seguridad.

Un proyecto completo debe seguir todas las etapas que se describen a continuación, aunque el problema

puede ser analizado en forma parcial realizando tan sólo algunas de esas etapas. La decisión la debe

tomar el ingeniero especializado en diseño de estructuras en la situación de incendio.

• Determinación del tiempo de evacuación. Existen softwares que modelan matemáticamente la

actitud humana en incendios y su comportamiento frente a las rutas de escape disponibles, tales

como: EXODUS (Universidad de Greenwich) y CRISP (BRE- Building Research Establishment

de Gran Bretaña).

• Determinación de la potencia térmica (Heat Release Rate) o del campo de la temperatura que

actúa sobre las estructuras.

Es sabido desde el siglo XIX cuando comenzaron a construirse edificios de pisos múltiples en acero, que

el acero sufre una reducción de su resistencia con el aumento de la temperatura. En esa época se usaba el

concreto como material de revestimiento del acero sin función estructural pero con mucho espesor, ya

que el concreto no era un aislante ideal. Años más tarde, el concreto además de revestimiento también

era aprovechado como elemento estructural, trabajando conjuntamente con el acero para resistir

esfuerzos.

Entonces surgieron las estructuras mixtas de acero y concreto. Más tarde se inició la construcción de

edificios de pisos múltiples de hormigón armado. Al comienzo no se suponía que el concreto armado

también podría tener problemas a altas temperaturas. Morch (1948), en un artículo interesante advirtió

sobre la necesidad de estudiar las estructuras de hormigón armado incendiadas y asociadas solamente

con la armadura en su interior. Hoy se sabe que la capacidad de resistencia del concreto (EC2, 2004), del

acero (EC3, 2005), de estructuras mixtas (EC4, 2005), de madera (EC5, 2004), de mampostería

estructural (EC6, 2005) y de aluminio (EC9, 1998) en situación de incendio se reduce por degeneración

de las propiedades mecánicas de los materiales o por la reducción del área resistente. El acero y el

aluminio sometidos a altas temperaturas sufren una reducción de su resistencia y de su módulo de

elasticidad. El concreto además de una reducción de resistencia pierde área resistente debido al spalling.

El spalling es un despostillamiento de la superficie del concreto debido a la presión interna del agua que

se evapora y al comportamiento diferencial de los componentes del concreto. En concretos de alta

resistencia puede ocurrir un despostillamiento explosivo por la mayor dificultad de percolación del agua.

El spalling reduce el área resistente del concreto y expone la armadura al fuego.

Variación de la resistencia de los materiales en función de la temperatura

Aço = acero

Variación del modulo de elasticidad de los materiales en función de la temperatura

aço = acero

El acero disminuye sus propiedades mecánicas con la temperatura.

El riesgo de un incendio depende del uso del edificio, ubicación, tamaño, número de ocupantes, diseño y

tipo de construcción.

En general, mientras más grande sea el edificio, mayor será el riesgo de las vidas de sus ocupantes y de

la propiedad. Un factor vital de reducir este riesgo es crear barreras físicas ante la propagación del fuego

en el edificio, sectorizándolo mediante compartimentos como muros, tabiques y losas resistentes al

fuego. La protección de los elementos estructurales, el sellado y protección de aberturas verticales y

horizontales, la protección efectiva de penetraciones de instalaciones de servicio, el uso de materiales

incombustibles en revestimientos y alhajamiento son aspectos importantes a tener en cuenta.

Todas estas consideraciones se refieren a la protección pasiva contra el fuego, sistema que no requiere

de energía o agua para operar en la eventualidad de un incendio. Dar las facilidades necesarias a los

servicios contra incendios, un adecuado mantenimiento, una buena administración, tener debidamente

señalizadas y expeditas las vías de escape y contar con elementos de protección activa, como alarmas de

humo y rociadores, completa un conveniente paquete de protección.

La seguridad de las estructuras de acero en situación de incendio se logra mediante protección

antitérmica, como sigue:

• auto-protección: el elemento estructural aislado sin revestimiento contra fuego es dimensionado para

resistir las altas temperaturas de un incendio. Esta es por lo general la manera menos económica para

resolver el problema.

• barreras antitérmicas: el elemento de acero es forrado en mampostería o concreto o revestido con

materiales de revestimiento contra fuego de baja densidad, baja conductividad térmica y bajo calor

específico. El espesor de estos materiales es calculado con medios analíticos o experimentales.

• integración del acero a otros elementos de construcción, constituyendo estructuras mixtas o estructuras

integradas. Las estructuras mixtas de acero y de concreto son aquellas en que ambos materiales trabajan

en forma solidaria para resistir los esfuerzos externos. En situación de incendio hay transferencia de

calor entre los elementos estructurales. Así se tienen, por ejemplo, vigas, losas o pilares mixtos de acero

y concreto. Estructuras integradas son aquellas en que el acero a altas temperaturas transfiere calor al

concreto o a la mampostería, pero sin solidaridad estructural.

Estructuras mixtas de acero y concreto

Aspecto final después de uno de los incendios experimentales en Cardington

FORMAS DE PROTECCIÓN SUPERFICIAL CONTRA EL FUEGO

Pinturas Intumescentes

Estas pinturas se aplican como capa intermedia entre la primera de imprimación y la de acabado. Es una

solución que no modifica las dimensiones ni la geometría de los elementos protegidos, no obstante,

presenta el problema de no ser muy eficaz ya que las estructuras sometidas al fuego por más de 50

minutos, pierden su estabilidad. Por esta razón su uso es muy limitado.

Morteros Ignífugos

Estos morteros son proyectables compuestos por ligantes hidráulicos, áridos ligeros del tipo de

vermiculita o lana mineral, y aditivos especiales. Permiten una estabilidad al fuego llegando hasta cuatro

horas de exposición al calor de las llamas. El espesor del revestimiento se realiza según el tiempo de

estabilidad al fuego que se considere; la superficie de acabado puede hacerse alisada o rugosa.

Placas Rígidas de Revestimiento

Esta protección se basa en paneles de silicato cálcico; son livianos y fácil de manejar, permiten crear

alojamientos estancos en su interior donde queda el perfil. El espesor y la cantidad de capas de los

paneles determinan el tiempo de estabilidad al calor de las llamas. El tiempo máximo comprobado se

encuentra alrededor de las 3 horas de exposición al fuego.

PREPARACIÓN Y PROTECCIÓN

Las piezas metálicas que deban transportarse requieren una preparación utilizando para ello medios

auxiliares tales como: cunas traviesas, perfilería, almohadillas de serrín y otros. Estos recursos impiden

que las piezas sufran desplazamientos durante el transporte; además se las protege para que no se

deformen, no sufran torsiones o abolladuras o cualquier deterioro para que no sean rechazadas al

momento de su montaje en obra. Si ésto sucede, la pieza rechazada se marca en forma indeleble.

Puede también que la pieza no se rechace sino que los deterioros sufridos permitan ser reparados. Dado

este caso, se levanta un acta de los daños y se propone la reparación y procedimiento a seguir. Luego las

piezas afectadas serán inspeccionadas en las partes dañadas.

TRANSPORTE PROGRAMADO

Los transportes de piezas se programan según el avance de la obra y la secuencia de montaje con sus

tiempos establecidos. La obra deberá indicar al taller los tiempos de envíos en el orden establecido.

Si las piezas superan un ancho de 4 m. o una longitud de 18 m., debe utilizarse coche de

acompañamiento (por normativa de tráfico). Se evitarán los transportes próximos a fines de semana o

feriados pues pueden sufrir retrasos o paradas.

PROGRAMA DE MONTAJE

-El programa de montaje debe tener en cuenta lo siguiente:

-Organización del montaje en fases, con la definición del orden y tiempos de montaje.

-Descripción del equipo a emplear en el montaje de cada fase.

-Descripción de cimbras, apeos, soportes provisionales y todo elemento de sujeción provisoria.

-Listado de personal necesario asignado a cada fase; su cualificación y especialidad profesional:

montadores, caldereros, soldadores homologados,etc.

-Elementos de seguridad y protección personal .

-Planos de replanteos, nivelaciones, alineaciones y aplomos.

-Recepción y Almacenamiento

-El almacenamiento de piezas en obra se efectúa de manera ordenada y sistemática. Teniendo en cuenta

el orden de montaje, se disponen las piezas con su correspondiente identificación a la vista, ya marcada

con anterioridad en el taller.

-La manipulación de piezas requiere de mucho cuidado, deben protegerse cada uno de los elementos en

todas las zonas donde se coloquen cadenas, ganchos, estrobos o cualquier accesorio que se emplee para

elevación y manipulación de las piezas de la estructura.

-Cada estación previa al montaje involucra un riesgo, por ello si se puede, conviene eliminar pasos

intermedios en la obra y pasar directamente del camión que viene del taller a su posición final.

TAREAS PREVIAS

Antes de comenzar con la fabricación , deberán estar confeccionados los planos de taller.

Previamente al montaje de la estructura metálica, estará ejecutada la cimentación correspondiente,

respetando todas las cotas de proyecto y provista ésta de sus correspondientes elementos de unión con la

estructura (chapas de anclaje, cajetines, etc.)

REPLANTEO

Comprobar en obra las cotas de replanteo de la estructura para la realización de los planos de taller, para

definir completamente todos los elementos de la estructura.

Estos planos deberán contener:

a) Las dimensiones necesarias para la definición de todos los elementos integrantes de la estructura.

b) Las contraflechas de vigas, cuando se hayan previsto.

c) La disposición de las uniones, inclusive todas las provisionales de armado, distinguiendo las dos

clases de unión: de fuerza y de atado.

d) El diámetro de los agujeros de tornillos, con indicación de la forma de mecanizado.

e) Las clases y diámetros de los tornillos empleados.

f) La forma y dimensiones de las uniones soldadas, la preparación de los bordes, el procedimiento,

métodos usados en cada caso y posiciones de soldeo, los materiales de aportación y el orden de

ejecución.

g) Las indicaciones sobre mecanizado o tratamiento de los elementos que lo precisen.

h) Todo plano de taller debe indicar tipo de perfiles, clases de aceros usados, los pesos y marcas de cada

uno de los elementos de la estructura representados en él.

Proceso Constructivo

En la ejecución de una estructura metálica hay que distinguir dos fases:

Fabricación en Taller

Montaje en Obra

Fabricación en Taller

Los trabajos a realizar en taller conllevan un proceso en el orden siguiente:

RECEPCIÓN, ALMACENAMIENTO Y MANIPULACIÓN

Todos los elementos de la estructura deben tener sus marcas de identificación. El almacenamiento y

depósito de los elementos que integran la obra se debe hacer guardando un orden estricto y en forma

sistemática, a fin de no generar demoras o errores en el montaje. Las manipulaciones para la carga,

descarga, transporte, almacenamiento a pie de obra y montaje deben efectuarse con el cuidado suficiente

para no producir solicitaciones excesivas en ningún elemento de la estructura y para no dañar las piezas

o la pintura.

Deben protegerse las partes sobre las que hayan de fijarse las cadenas, ganchos o cables que se utilicen

en la elevación o sujeción de las piezas de la estructura.

Antes de realizar el montaje, se deberá corregir con cuidado cualquier abolladura, torcedura o comba

que haya aparecido durante las operaciones de transporte. Si el defecto no se puede corregir, o se

presume que después de corregido puede afectar la resistencia o estabilidad de la estructura, se rechaza

la pieza marcándola debidamente para dejar constancia de ello.

MONTAJE

Sobre las cimentaciones previamente ejecutadas se apoyan las bases de los primeros pilares o pórticos.

Estas bases se nivelan con cuñas de acero. Es conveniente que la separación esté comprendida entre 40 y

80 mm. Después de acuñadas las bases, se procede a la colocación de vigas del primer forjado y luego se

alinean y aploman los pilares y pórticos.

Los espacios entre las bases de los pilares y la cimentación deben limpiarse y luego se rellenan por

completo con mortero u hormigón de cemento portland y árido; el árido no podrá tener una dimensión

mayor que 1/5 del espesor del espacio que debe rellenarse, y su dosificación no menor que ½.

Las sujeciones provisionales de los elementos durante fase de montaje se aseguran para resistir cualquier

esfuerzo que se produzca durante los trabajos. En el montaje se realiza el ensamble de los distintos

elementos, a fin de que la estructura se adapte a la forma prevista en los planos de taller con las

tolerancias establecidas. No se comienza el atornillado definitivo o soldeo de las uniones de montaje

hasta haber comprobado que la posición de los elementos de cada unión coincida con la posición

definitiva. Las uniones atornilladas o soldadas seguirán deben realizarse según las especificaciones de la

normativa en vigor.

CRITERIOS DE MEDICIÓN

Se calcula por Peso: kg. de estructura realmente montada.

Control de Calidad

Dicho control se llevará a cabo en las dos fases del proceso:

Fabricación en Taller y Montaje en Obra.

Fabricación en Taller

Control de las dimensiones de piezas y elementos: se realizar el control en el plantillaje, marcado, corte,

perforación y soldadura.

Armado

Se harán las siguientes comprobaciones:

Identificación y disposición de elementos.

Situación de los ejes de simetría.

Situación de las zonas de sujeción a elementos contiguos.

Ausencia de alabeos y abolladuras.

Soldadura Se realizan los ensayos definidos en el correspondiente pliego, líquidos penetrantes, partículas

magnéticas, radiografías y/o ultrasonidos.

Se realiza siempre una inspección visual donde no se admiten los defectos.

Pintura Deben realizarse las siguientes comprobaciones:

Revisión de certificados de pintura.

Inspección visual de la preparación de superficies.

Ensayo de adherencia.

Control de espesor eficaz.

Atornillado o Soldadura En el atornillado se verificará el par de apriete y en la soldadura realizada en obra se aplicará lo mismo

que para las realizadas en taller (ver C.E. 02.06.02 Uniones soldadas y 02.06.03 Uniones atornilladas).

Control de los Materiales

Todos los materiales recibidos serán objeto de Recepción y Ensayo.

El fabricante debe garantizar las características mecánicas y la composición química de los materiales

que suministra, es decir, garantizar que se cumplen las condiciones especificadas en la normativa NBE-

EA-95.

Todos los materiales deben llevar las siglas de la fabrica, el tipo de acero y la denominación del

producto, marcados debidamente.

Hay que definir el tipo de acero de la estructura, así como las operaciones y sus tolerancias tanto de la

"fabricación en taller" como del "montaje en obra".

Medios Necesarios

Materiales

Designación de Aceros Todos los aceros utilizados en la fabricación de estructuras deben estar de acuerdo con las normas y

calidades especificadas del proyecto, y de acuerdo a la normativa en vigor.

Productos de Acero para Estructuras.

Estos son:

a. Perfiles y chapas de acero laminado (en caliente).

b. Perfiles huecos de acero.

c. Perfiles y placas conformadas de acero.

d. Tornillos, tuercas y arandelas.

a. Perfiles y chapas de acero laminado en caliente.

Aceros ordinarios utilizados como calidades A37b, A42b

Aceros de alta resistencia utilizados: A52b

Perfiles : IPN, IPE, HEB, HEA, HEM, UPN, L, LD y T. Redondo, cuadrado, rectangular o chapa.

b.Perfiles huecos de acero.

De acero A42b, no aleado. Las características mecánicas y su composición química se describen en la

normativa correspondiente.

La serie de productos utilizados puede ser: Perfil hueco: redondo, cuadrado y rectangular.

c. Perfiles y placas conformadas de acero.

De acero A37b, no aleado. Las características mecánicas y su composición química se describen en la

normativa correspondiente.

La serie de productos utilizados puede ser: en placas: onduladas, grecadas, nervadas y agrafadas.

d. Tornillos, tuercas y arandelas

Clase T: tornillos ordinarios según NBE-EA95

Clase TC: tornillos calibrados según NBE-EA95

Clase TR: tornillos de alta resistencia según NBE-EA95Los tornillos ordinarios se emplean con

productos de acero de los tipos A37 y A42.

Los tornillos calibrados se emplean con productos de acero A37, A42 y A52.

Los tornillos de alta resistencia pueden emplearse con aceros de cualquier tipo.

Todas las tuercas y arandelas se indican en la normativa correspondiente.