GENERALIDADES.

El hiero es quizá uno de los materiales que actualmente juega un papel muy importante en la construcción. Esto se debe, a su utilización tan generalizada en el quehacer humano; además que es abundante en el planeta, pues forma aproximadamente el 5% de la corteza terrestre.

En nuestro país, las reservas de este material son aproximadamente 500 millones de toneladas, ocupando a nivel mundial un 1% aproximadamente del total que existe en la tierra.

Dependiendo de la profundidad a que se encuentre el yacimiento, existen diversas formas para su extracción de la corteza terrestre. La más sencilla y económica es cuando el yacimiento esta a escasa profundidad y se le denomina “explotación o beneficio a cielo abierto”. Esta explotación consiste en extraer el material directamente del yacimiento por medio de maquinaria pesada. Cuando el material o yacimiento se localiza a grandes profundidades, entonces se perforan pozos verticales y a partir de estos ductos horizontales llamados “galerías”; a este tipo de explotación se le llama “de beneficio profundo”.

Prácticamente podemos afirmar que al fundir el material de hierro mas de cómo resultado acero, sin embargo la obtención de este es un proceso mucho más complejo, pues para su obtención, se necesita entre otras, el mineral de hierro, carbón mineral y piedra caliza.

TIPOS DE ESTRUCTURAS DE ACERO.

Miembros a tensión, miembros a compresión, miembros a flexión, miembros a flexocompresion. En el mismo orden podemos mencionar: tensores, columnas, vigas y columnas con momento, entre otros.

EL DISEÑADOR DE ESTRUCTURAS.

El diseñador de estructuras argumenta y proporciona las estructuras y sus elementos de tal manera que las mismas puedan soportar satisfactoriamente las cargas que probablemente las soliciten. Se puede decir que está involucrado en: la disposición general de la estructura; estudio de las formas estructurales posibles que puedan utilizarse; consideraciones de condiciones de carga, análisis de fuerzas, deformaciones, etc.; diseño de elementos; preparación de planos de proyectos y de taller. Específicamente la palabra diseño involucra armonizar los distintos

elementos de una estructura una vez calculados los esfuerzos, y este será el proceso que se enfatiza utilizando el acero estructural como material básico.

OBJETIVO DEL DISEÑADOR DE ESTRUCTURAS.

El diseñador de estructuras debe aprender a distribuir y dimensionar los elementos de las estructuras de modo que las mismas tengan suficiente resistencia y rigidez y sean razonablemente económicas, y que puedan montarse de manera práctica. Estos detalles se discuten brevemente a continuación.

a) Seguridad.- una estructura no solo debe soportar en forma segura, las cargas a qie esta sujeta, sino que debe soportarlas de modo que las deformaciones y vibraciones no sean tan grandes como para atemorizar al usuario o provocar agrietamientos de apariencia peligrosa.

b) Costo.- el diseñador debe tener en mente los detalles que reducen el costo sin sacrificar la resistencia. Estos aspectos incluyen el uso de secciones de medidas comerciales con conexiones y detalles sencillos, y el uso de elementos y materiales que no requieran con el tiempo altos costos de mantenimiento.

c) Sentido práctico.- otro objetivo es el diseño de estructuras que puedan fabricarse y montarse sin que se presenten grandes problemas. El diseñador necesita conocer métodos de fabricación, y tratar de adaptar su trabajo a las facilidades disponibles.El diseñador deberá tener los más amplios conocimientos posibles acerca de dibujo de detalles, de la fabricación y en el campo de las estructuras de acero. Finalmente necesita organizar los elementos de la estructura de manera que no interfiera con las instalaciones que requiera el apoyo (ductos, tuberías, cables, etc.), ni modifiquen el aspecto arquitectónico.

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO.

El diseño de un miembro estructural de acero implica mucho más que el cálculo de las propiedades requeridas para resistir las cargas y la sección del perfil más ligero que tenga tales propiedades. Aunque a primera vista este procedimiento parece que presenta los diseños más económicos, deben considerarse otros factores. Algunos de estos son los siguientes:

1) El proyectista necesita seleccionar las dimensiones en que fabrican los perfiles laminados. Vigas, placas y barras de tamaño poco comunes serán difíciles de conseguir en periodos de mucha actividad consecutiva y resultaran costosas en cualquier época.

Los fabricantes de acero reciben constantemente información de las empresas constructoras acerca de las dimensiones de perfiles disponibles. La mayor parte de los perfiles estructurales pueden conseguirse en longitudes de 60 a 75 fts., dependiendo del fabricante, aunque bajo cierta condiciones pueden conseguirse hasta de 120 fts.

2) En ciertos casos, puede ser un error suponer que el perfil más ligero es el más barato. Una estructura diseñada según el criterio de las “sección más ligera” consistirá en un gran número de perfiles de formas y tamaños diferentes.

3) Las vigas escogidas para los pisos de edificios son las de mayor peralte, ya que esas secciones, para un mismo peso tienen los mayores momentos de inercia y de resistencia.

4) Los costos de montaje y fabricación de vigas de acero estructural son aproximadamente los mismos para miembros ligeros o pesados. Las vigas deben entonces espaciarse tanto como sea posible para reducir el número de miembros que tenga que fabricarse y montarse.

5) Los miembros de acero estructural deben pintarse solo si lo requiere la especificación aplicable. El acero no debe pintarse si va a estar en contacto con el concreto.Además, los diversos materiales resistentes al fuego usados para proteger a los miembros de acero se adhieren mejor si las superficies no están pintadas.

6) Es muy conveniente utilizar la misma sección el mayor número de veces posibles. Tal manera de proceder reducirá las cartas de detallado; fabricación y montaje.

7) Para secciones grandes, particularmente las compuestas, el diseñador necesita tener información relativamente a los problemas de transporte. Esta información incluye las máximas longitudes y alturas que pueden enviarse por ferrocarriles.

8) Deben encargarse secciones que sean fáciles de montar y mantener. Por ejemplo los elementos estructurales de un puente deben tener superficies expuestas, dispuestas de manera que puedan pintarse periódicamente.

9) Los edificios tienen con frecuencia una gran cantidad de tuberías, conductos, etc. Por lo que deben escogerse elementos estructurales que sean compatibles con los requisitos de forma y tamaño impuestos por tales instalaciones.

10) Los miembros de una estructura de acero a veces están expuestos al público, sobre todo en el caso de los puentes de acero y auditorios. La apariencia puede ser el factor principal al tener que escoger el tipo de estructura, como en el caso de los puentes. Los miembros expuestos pueden ser muy estéticos cuando se disponen de manera sencilla y tal vez cuando se escogen elementos con líneas curvas; sin embargo ciertos arreglos pueden ser

sumamente desagradables a la vista. Es un hecho que algunas estructuras de acero, bellas en apariencias, tienen un costo muy razonable.

PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO

Las propiedades mecánicas del acero son:

a) Elasticidadb) Fluenciac) Plasticidadd) Esfuerzo de rupturae) Resistencia a la fatigaf) Resistencia al impactog) Dureza

Las propiedades mecánicas del acero se determinan mediante el ensaye en el laboratorio de probetas standard. Las pruebas se hacen en maquinas universales o en marcos de carga y pueden ser de tipo estático o dinámico.

El ensaye más común es la prueba a tensión del acero, con lo cual se determinan las propiedades principales que son básicas para el diseñador de estructuras.

La prueba consiste en aplicar fuerzas de tensión a una muestra cilíndrica, las tensiones se aplican en los extremos de la pieza mediante dispositivos de fijación, la sección transversal de la fuerza es en la parte central de menor diametrito con el objeto de asegurar que la ruptura se presente en esta parte. Con forme se tensiona la muestra, se mide y se registra la carga de tensión “P” y el alargamiento en una longitud calibrada, esto mediante dispositivos de medición y registro automatizados, o mediante lecturas de los medidores.

El esfuerzo axial en el espécimen de prueba se calcula dividiendo la carga P entre el área de la sección transversal A, este es el esfuerzo nominal. El valor real del esfuerzo se obtiene calculando con el área instantánea de la pieza que es menor que el área inicial.

La deformación axial unitaria nominal se determina a partir del alargamiento medido entre las marcas de calibración, dividiendo entre la longitud inicial de calibración. La deformación unitaria real se obtiene considerando la longitud instantánea.

Realizada la prueba de tensión los resultados obtenidos se pueden representar en un diagrama esfuerzo-deformación.

El mayor esfuerzo para el cual tiene aplicación la ley de Hooke es el llamado “limite de proporcionalidad”.

El mayor esfuerzo que puede soportar el material sin ser deformado permanentemente, se llama “limite elástico”. Este valor raramente se mide, para la mayoría de los materiales estructurales, incluido el acero, es sinónimo del límite de proporcionalidad, por esta razón a veces se utiliza el término “limite proporcional elástico”.

El esfuerzo en el que se presenta un incremento brusco en el alargamiento o deformación sin un incremento en el esfuerzo, se denomina”esfuerzo de fluencia”, corresponde al punto de diagrama para el cual la tangente a la curva es horizontal (limite superficial de fluencia).

La deformación que ocurre antes del punto de fluencia, se le conoce como “deformación elástica”.

La deformación que ocurre después del punto de fluencia sin incremento en el esfuerzo, se le conoce como “deformación plástica”. Esta ultima deformación es aproximadamente igual en magnitud a 10.15 veces la deformación elástica.

Después de la zona plástica se tiene la zona llamada “por endurecimiento por deformación”, en la que se requieren fuerzas adicionales para producir deformaciones mayores. Inmediatamente el material falla.

En resumen, en el diagrama esfuerzo-deformación del acero estructural se distinguen básicamente 3 zonas: la elástica lineal, la zona de fluencia plástica, y la de endurecimiento por deformación.

PRODUCTOS DE ACERO

En el año 1901 se establece la primera empresa mexicana dedicada a la laminación de perfiles de acero estructural, en el estado de Nuevo León con el nombre de “Gra. Fundidora de Hierro y Acero de Monterrey”

Actualmente las empresas que se dedican a la fabricación de acero en nuestro país son entre otras:

Aceros Corsa Fundidora y Laminadora Anáhuac CIA. Siderúrgica de Guadalajara Siderúrgica Mexicana Siderúrgica Lázaro Cárdenas Siderúrgica de Yucatán Otras

Los perfiles de acero estructural se identifican por la forma de su sección, datos de su geometría y peso unitario. El Instituto Mexicano de Construcción en Acero (IMCA), considero designar los perfiles de acero con solo dos letras, una ideográfica y la otra abreviatura de su descripción, en vez de las 3 o más siglas tradicionales. A continuación se indican las equivalencias.

LI es APS de lados iguales

LD es APS de lados desiguales

CE es CPS

IE es IPS

IR es IPR

TR es TPR

IS es IPC

OR es PTR o PFR

CF es CPLZ

ZF es ZPLZ

FACTOR DE SEGURIDAD

El factor de seguridad de un miembro estructural es la relación entre la resistencia ultima del material y del esfuerzo previsto (unitaria). Es frecuente utilizar un valor de resistencia ultima siempre menor.

En otras palabras, el factor de seguridad será el numero que resulte de dividir la resistencia ultima del material entre el esfuerzo unitario real.

FACTOR DE CARGA

El propósito de los factores de carga es incrementar las cargas para tomar en cuenta las incertidumbres implicadas al estimar las magnitudes de las cargas vivas y muertas.

El valor del factor de carga usado para cargas muertas es menor que el usado para cargas vivas, ya que los proyectistas pueden estimas con más precisión las magnitudes de las cargas muertas que de las cargas vivas.

FACTOR DE RESISTENCIA.

Para estimar con precisión la resistencia última de una estructura es necesario tomar en cuenta las incertidumbres que se tienen en la resistencia de los materiales, en las dimensiones y en la mano de obra. Con el factor de resistencia el proyectista reconoce implícitamente que la resistencia de un miembro no puede calcularse exactamente, debido a imperfecciones en las teorías de análisis, a variaciones en las propiedades de los materiales y a las imperfecciones en las dimensiones de los elementos estructurales.

Para esta estimación se multiplica la resistencia ultima critica (resistencia nominal) de cada elemento por un factor de resistencia o de sobrecapacidad que es casi siempre menor que 1.0.

Estos factores tienen los siguientes valores:

0.85 para columnas

0.75 o 0.90 para miembros a tensión

0.90 para flexión o el corte en vigas (cortante)

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

El diseño de estructuras de acero, el método que se ha utilizado y actualmente se sigue utilizando en la mayoría de ellas es el método de “diseño elástico”.

Consiste en la estimación de la carga de trabajo, que es lo que carga que la estructura debe soportar el dimensionamiento de los miembros con ciertos esfuerzos permisibles, proporcionadas por las especificaciones; estos esfuerzos permisibles son normalmente una fracción del esfuerzo en el límite de fluencia del material. Este método es mejor conocido como diseño por esfuerzos permisibles o esfuerzos de trabajo (esfuerzos permisibles de trabajo).

La ductilidad del acero a sido usada como una reserva de resistencia y la utilización de este hecho constituye la base de la teoría del “diseño plástico”. En este método las cargas de trabajo se estiman y multiplican por ciertos factores y los miembros se diseñan basándose en las resistencias a la falla o al colapso (resistencia última), afectadas por un factor de resistencia. También se conoce este método como: diseño-al límite, diseño a la falla o a la ruptura. Aunque este método se ha utilizado poco, actualmente se tiende a generalizar, cosa que se nota en las últimas especificaciones del AISC.

ESPECIFICACIONES

Para la gran mayoría de las estructuras el diseñador se basa en especificaciones o normas. Aun si estas no rigen en un diseño, las tomara en cuenta como una guía. Las especificaciones de ingeniería son desarrolladas por diversas organizaciones y contienen valiosas opiniones de ellas, por tanto representan las mejores prácticas.

Se mencionan a continuación algunas de las especificaciones más frecuentes:

A.I.S.C. (American Institute of Steel Construction)

A.W.S. (American Weldiny Society)

A.A.S.H.O. (American Asociation of State Highwey Official)

A.R.E.A. (American Railway Engineering Asociation)

A.S.T.M. (American Society for Testing Materials)

R.D.F. (Reglamento Del Distrito Federal)

TIPOS DE ACERO ESTRUCTURAL

En la construcción con acero se utilizan diferentes variedades de acero estructural, la resistencia de un acero en particular depende de gran medida del contenido de carbono, cuyos porcentajes se han establecido en las normas correspondientes (ASTM A-6)

Para facilitar el estudio de los diversos aceros estructurales disponibles en la actualidad se les agrupa por tipos y resistencias:

1) Aceros estructurales al carbono2) Aceros de alta resistencia y baja aleación3) Aceros al carbono tratados y templados

VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

1) Alta resistencia.- la alta resistencia del acero por unidad de peso significa que las cargas muertas sean menores. Este hecho es de gran importancia en puentes de gran claro, edificios elevados y estructuras cimentadas en condiciones precarias.

2) Uniformidad.- las propiedades del acero no cambian a apreciablemente con el tiempo, como sucede con las del concreto reforzado.

3) Elasticidad.- el acero está más cerca de la hipótesis de diseño que la mayoría de los materiales, porque sigue la ley de Hooke hasta para esfuerzos relativamente altos. Los momentos de inercia de una estructura de acero pueden ser calculados con precisión en tanto que los valores obtenidos para una estructura de concreto reforzado son un tanto indefinidos.

4) Durabilidad.- las estructuras de acero con mantenimiento adecuado duran indefinidamente, nuevas investigaciones indican que bajo ciertas condiciones los nuevos aceros requieren pintura como mantenimiento.

5) Ductilidad.- la propiedad de un material que le permite soportar deformaciones generales sin fallar, bajo esfuerzos de tensión elevados se conoce como ductilidad.

6) Las estructuras de acero se prestan para fines de ampliación. Nuevos tramos y en ocasiones a las totalmente nuevas pueden añadirse a las estructuras de acero de edificaciones y existentes y los puentes de acero a menudo pueden ampliarse.

7) Algunas otras ventajas importantes del acero estructural son: a) adaptación a la prefabricación , b)rapidez de montaje, c)soldabilidad, d)tenacidad y resistencia a la fatiga e) posible reutilización después que la estructura se desmonte, f) valor de rescate, aun cuando no puede usarse sino como chatarra

DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

1) Costo de mantenimiento.- la mayoría de los aceros se conoce cuando están expuestos libremente al aire y deben pintarse periódicamente.

2) Costo de protección contra incendio.- la resistencia del acero estructural se reduce notablemente a las temperaturas que se alcanzan durante los incendios. La estructura de acero de un edificio debe estar a prueba de incendio a fin de asegurarla con primas bajas.

3) Susceptibilidad al pandeo.- a medida que los miembros sujetos a compresión son mas largos y delgados, mayor es el peligro de pandeo.