LOS MATERIALES METLICOS

LOS METALES FERROSOS.

Al hierro y al acero se les considera como metales ferrosos por ser materiales derivados del procesamiento industrial de los minerales de fierro. Estos materiales, de los cuales el acero cobra especial importancia por ser el de mayor uso en la construccin, se consideran como muy homogneos debido a su riguroso control de produccin, esto permite determinar sus propiedades mecnicas con mucha confianza, otros materiales como la madera y el concreto generalmente presentan una mayor dispersin en sus propiedades.

El hierro prcticamente no se emplea para edificar estructuras, ya que su composicin qumica (alto contenido de carbono e impurezas) lo hace muy resistente a la compresin pero poco dctil, por el contrario, el acero al combinar resistencia y ductilidad permite crear estructuras que se deformen antes de fallar, lo cual permite salvar la vida de los usuarios. Cada vez se hace un uso ms extensivo del acero, especialmente en zonas ssmicas donde se requieren grandes factores de seguridad en las estructuras, esto se logra gracias a la gran rigidez que se puede lograr con este material. Otra de las grandes ventajas del acero es que se pueden fabricar de antemano todo tipo de formas geomtricas que despus se ensamblan en el lugar de la obra a base de soldadura o de remaches. Desafortunadamente el material requiere de cuidados en su manejo especialmente a la hora del ensamble y tambin requiere de proteccin adecuada contra su enemigo nmero uno, la corrosin.PRODUCCIN DE LOS METALES FERROSOS

El Hierro

La produccin de los metales ferrosos inicia con la obtencin del hierro de bajo grado o hierro sucio, esto se logra en un alto horno, la Figura 11.1 muestra un ejemplo del horno. Esta estructura tiene en su interior una cubierta de tabique refractario, indispensable para soportar las altas temperaturas que se requieren en la fundicin de los ingredientes bsicos. El horno es una estructura muy grande, con un dimetro mayor de unos 15 m y una altura aproximada a los 30 m. Los ingredientes bsicos se alimentan al horno por la parte superior, formando series de capas, en cada serie se coloca el coque (carbn quemado, con este tratamiento el carbn pierde impurezas y arde a ms altas temperaturas), a continuacin se coloca una capa de caliza triturada o dolomita, y al ltimo se coloca una capa del mineral de fierro de que se trate. El mineral de hierro puede ser: hematita (Fe2O3), magnetita (Fe3O4), limonita (Fe2O3 + nH2O), o algn otro disponible en la regin. Se quema el coque y se mantiene el calor inyectando aire caliente al sistema, la temperatura que alcanza los 850 C funde el mineral de fierro, el hierro fundido en su movimiento hacia abajo se mezcla con la caliza fundida y en ella quedan atrapadas impurezas formando lo que se conoce como la escoria, en el proceso se desprende monxido de carbono, ste gas en su ascenso le imparte al hierro el contenido de carbono que poseer al final de la etapa de fundicin. En la parte inferior del horno, donde las temperaturas alcanzan los 1200 C, se recoge en el nivel ms bajo el hierro en forma lquida y a un nivel ligeramente ms alto se recoge la escoria, segn se aprecia en la Figura 11.1.

El hierro obtenido del proceso de fundicin descrito anteriormente no es puro, de ah el nombre de hierro de bajo grado, ste metal contiene cantidades altas de carbono por lo que industrialmente es de poca utilidad, tambin contiene otros minerales como silicn, manganeso y azufre. En estas condiciones el hierro se somete a una nueva fundicin mezclndolo con desperdicios de hierro y de acero, y por medio de un proceso de oxidacin controlado a base de un chorro de aire se le reduce el porcentaje de carbono hasta lograr de un 2 a un 4 %, el resultado se vaca en moldes de arena o metal, por esta razn se le llama hierro colado.

Figura 11.1. Obtencin del Hierro en un Alto Horno.

El hierro colado se emplea muy poco en la construccin, una de sus aplicaciones es el colado de tubera para bajadas de drenaje sanitario. El problema con este tipo de tubera es que por ser pesada, es difcil de manejar y ensamblar, adems el material es frgil a los impactos y fcilmente se puede fracturar con un golpe. Por estas razones el hierro colado prcticamente ha sido desplazado por los plsticos, en este caso la mejor alternativa es el cloruro de polivinilo (PVC).

Una variedad del hierro es el hierro forjado este hierro contiene un porcentaje muy bajo de carbn, no mayor del 0.09 %, por esta razn el material es muy maleable y solo se le emplea en la construccin con propsitos de ornato, no tiene ninguna aplicacin estructural.El Acero

La produccin del acero consiste en una depuracin de la cantidad de carbono contenida en el hierro de bajo grado, esto se logra con una nueva fundicin, logrando por medio de procesosDe oxidacin controlada, bajar el contenido de carbono a cerca del 0.2 %. Las consideraciones tericas para llevar esto a cabo son complejas e involucran a la trmica y a la qumica, pero si supusiramos que el hierro de bajo grado se representa por Fe3C (carburo de fierro), la prdida de carbono se puede representar por:Fe3 C + O Fe + CO

En la expresin anterior el monxido de carbono se pierde en la atmsfera, el proceso de refinamiento se aplica tantas veces como sea necesario, en la actualidad el proceso an no se mejora, pero en el futuro seguramente se har, y de una misma hornada se podr obtener tanto acero como hierro.El acero obtenido de las etapas de refinamiento guarda an algunas impurezas, sin embargo ya se le puede emplear en la construccin gracias a su resistencia a la corrosin, su ductilidad y su facilidad para darle forma.Estructura del Acero

Conforme el acero obtenido del proceso de refinamiento se va enfriando, sus tomos se arreglan d tal manera que de acuerdo a la temperatura toman una posicin que obedece a la ley de la menor energa de cristalizacin. Esto ocurre de tal forma que si se considerara al metal fundido en un recipiente, pasara lentamente del estado lquido al slido, en esta secuencia el material se enfra primero en las esquinas, luego en los bordes y posteriormente en el interior, los tomos se entrelazan unos con otros formando una estructura dendrtica como la que se muestra esquemticamente en la Figura 11.2.

Figura 11.2. Esquema Microscpico de solidificacin del acero.

La estructura poli cristalina que se observa en la figura anterior revela que los granos del material slido varan entre s, y en cada grano los tomos se arreglan de forma regular en una estructura conocida como estructura atmica. Para el acero existen dos estructuras principales, la estructura cbica centrada en la cara (face centred cubic structure, fcc) y la estructura cbica centrada en el cuerpo (body centred cubic structure, bcc). La Figura 11.3 muestra las dos estructuras, donde los tomos se simbolizan por puntos o bolas. En el caso del acero, la estructura atmica fcc se produce arriba de los 910 C, y la bcc se produce abajo de los 910 C, estos cambios son fundamentales en la tecnologa metalrgica del acero. Estas estructuras no son las ms densas que puede tener un metal, existe la estructura hexagonal compacta (close packed hexagonal structure, hcp), que caracteriza al magnesio, zinc, cobalto y titanio, sin embargo la estructura del acero es lo suficientemente fuerte para resolver un sinfn de problemasestructurales.

Figura 11.3. Fases de Estructura Atmica del Acero.Arriba, Estructura Cbica Centrada en la Cara (fcc). Abajo, Estructura Cbica Centrada en el

Cuerpo (bcc).Rara vez se emplea a los metales en su estado puro, generalmente se les alea con otros. La aleacin se basa en la disolucin del metal base con la aleacin, durante la aleacin, algunos tomos del metal base pueden ser sustituidos por los de la aleacin, o algunos tomos de la aleacin pueden ocupar espacios intersticiales entre los tomos del metal base, La Figura 11.4 muestra como encajan los tomos de materiales como el carbono o el nitrgeno con tomosMayores.

Figura 11.4. Aleacin Intersticial de tomos de Carbono o Nitrgeno.

Propiedades Mecnicas del Acero

Resistencia a la Tensin

Las propiedades mecnicas del acero dependen de la composicin qumica del metal, aunque existe una gran cantidad de aceros, no todos ellos son de uso comn en la construccin. La Tabla 11.1 presenta algunos aceros que se emplean en la industria incluyendo el acero de uso estructural.

Tabla 11.1. Diversos Tipos de Acero Segn su Contenido de Carbono.

AcerContenido de Carbono

% en Peso

Acer para calderas0.10 - 0.15

Acer estructural0.16 - 0.30

Acero para maquinaria0.31 - 0.60

Acero para herramienta0.61 - 1.20

En Mxico son de uso comn los siguientes aceros: ASTM A-7 y ASTM A-572 grado

50. Como se observar a continuacin, las especificaciones ASTM no sealan un contenido especfico en el contenido de carbono u otra sustancia, sin embargo estos aceros deben cumplir con los requisitos enunciados en la Tabla 11.2.

Los valores presentados en la tabla se pueden interpretar fcilmente con ayuda de una grfica esfuerzo-deformacin obtenida de una prueba de tensin, la Figura 11.5 muestra esquemticamente las diversas etapas involucradas en el ensaye. La curva muestra una zona elstica denotada por el segmento OA, la pendiente del segmento elstico define el mdulo de elasticidad (E) del acero (esfuerzos proporcionales a las deformaciones). El final de la zona elstica denotada por el punto A, se conoce como esfuerzo de fluencia (lmite de fluencia), a partir de este lmite el acero se deforma permanentemente producindose durante la prueba una reduccin de seccin transversal del espcimen de prueba hasta alcanzar su resistencia mxima, la cual se denota por el punto B, este valor es de poca importancia desde el punto de vista estructural. Al proseguir la prueba, dentro de la zona BC se produce una estrangulamiento de la seccin transversal, hasta que el material alcanza su esfuerzo de ruptura, denotado en la curva por el punto C.Tabla 11.2. Especificaciones para Aceros Estructurales de Uso Comn en Mxico.

Acero Designacin

ASTM A-7

Esfuerzo de fluencia mnimo, kg/cm2Esfuerzo mnimo de ruptura en tensin, kg/cm2Alargamiento mnimo en probeta de 8 pulgadas

2,3205,06221 %

Acero Designacin Acero grado 50 (50,000 lb/pulg2)

ASTM A-572 Alta Resistencia (columbio -vanadio)

Esfuerzo de fluencia mnimo, kg/cm2Esfuerzo mnimo de ruptura en tensin, kg/cm2Alargamiento mnimo en probetas de 2 y de 8 pulgadas

3,5154,57021 % (2)

18 % (8)

La prueba tpica mediante la cual se obtiene la informacin anterior emplea un espcimen de 1.27 cm (0.5 pulgadas) en dimetro, perfectamente torneado para presentar una superficie lisa y de seccin constante. El espcimen se acostumbra maquinar con la longitud adecuada para alojar las marcas iniciales ya sea de 2 o de 8 segn sea el caso, los extremos del espcimen pueden ser roscados para afianzarlos mediante un dispositivo adecuado a la mquina universal (ASTM E-8) o simplemente puede ser sujetado con mordazas. Una vez colocado el espcimen se procede a cargarlo incrementando la carga hasta la falla, conforme la prueba prosigue se registra la carga y la deformacin producida, para esto ltimo se puede emplear un extensmetro especial que resista la falla del espcimen y as proporcionar la informacin completa. Tanto los esfuerzos como las deformaciones unitarias se evalan a intervalos regulares. El esfuerzo se calcula simplemente dividiendo la carga entre el rea, y la deformacin unitaria se obtiene dividiendo el incremento dedeformacin entre la longitud inicial marcada, ya sea 2 u 8 pulgadas.

Figura 11.5. Curva tpica Esfuerzo- Deformacin de un Acero Estructural.

Ductilidad

Como se puede observar en la Figura 11.5, una vez que se alcanza el lmite de fluencia se presenta una reduccin progresiva de la seccin transversal del espcimen como consecuencia del alargamiento del mismo hasta alcanzar la ruptura, estos dos hechos se interpretan como la ductilidad que posee el material. A medida que en los aceros se detecte un aproximamiento del lmite de fluencia con el lmite de ruptura (en la figura C se acercara a A) la ductilidad disminuye. En la metalurgia se pueden lograr aceros con alta capacidad a la tensin pero poca ductilidad, basta con aumentar el contenido de carbono o con alear al acero con otros metales.

En la ingeniera civil se acostumbra disear estructuras tanto metlicas como de concreto reforzado para que se comporten de una manera dctil antes de que un incremento excesivo en las cargas les provoquen la falla. Este comportamiento dctil da como seal inequvoca de peligro, deflexiones y deformaciones visibles a simple vista, de tal manera que el usuario puede desalojar la estructura antes de que se presente el colapso total. Lo anterior no significa que un acero de alta resistencia pueda ser malo, sino que el diseador debe considerar cuidadosamente que influencia tendr la baja ductilidad en el comportamiento de la estructura una vez que se exceda la capacidad de carga de diseo.

El fenmeno de ductilidad en los metales es bastante complejo, al parecer esto se logra cuando la intensidad de la carga provoca que algunos tomos de la estructura atmica (lattice) se deslicen con respecto a otros. El fenmeno de ductilidad se relaciona estrechamente con la dislocacin de los tomos de la estructura atmica del material, en el acero, como ya se ha mencionado, se tiene una estructura bcc, sta estructura no es la ms compacta, por eso en su estado puro presenta una gran cantidad de grados de libertad para alojar fenmenos de dislocacin muy variados, la Figura 11.6 muestra esquemticamente y de manera muy simplificada una secuencia de dislocacin por cortante.

Figura 11.6. Fenmeno de Dislocacin Cristalogrfica.Existen otros metales que presentan una estructura atmica ms compacta que el acero, como el magnesio, el zinc, el cadmio, el cobalto y el titanio, que poseen una estructura hexagonal fuertemente compacta (close packed hexagonal structure, hcp). Estos metales presentan menos grados de libertad para aceptar dislocaciones, esto se refleja en su gran estabilidad y resistencia, de hecho son metales que combinados con el acero le dan a ste una gran capacidad de carga, aunque a costa de una menor ductilidad.

Dureza

Esta propiedad de los metales ferrosos y no ferroso, se verifica por medio de pruebas de penetracin ya sea con puntas en forma de diamante o con balines de alta resistencia sobre la superficie del material por ensayar. Entre ms profunda es la penetracin, ms suave o menos reistente ser el metal. Este tipo de prueba se considera como una prueba no destructiva ya que en un rea muy pequea se evala la resistencia del material sin causarle ningn dao. La penetracin lograda se puede correlacionar con parmetros del metal, como la resistencia a la tensin y otros, de tal manera que resulta muy prctico ahorrarse el costo y la dificultad de una prueba de tensin o de algn otro tipo una vez que se cuenta con una correlacin confiable.

Existen dos pruebas de penetracin normalizadas por la ASTM, la prueba Brinell que se realiza segn la norma ASTM E-10, y la prueba Rockwell con designacin ASTM E-8. La prueba Brinell emplea un baln de 10 mm de dimetro y puede proporcionar cargas de 500, 1500 y 3000Kg (usualmente la estndar), una vez hecha la penetracin, se calcula el rea de la huella y se divide la carga entre el rea para encontrar el nmero de dureza Brinell. La prueba de Rockwell permite emplear cuatro balines de diferentes dimetros y una punta en forma de diamante, las cargas que se pueden aplicar son: 15, 30, 45, 60, 100 y 150 kg. En la prueba Rockwell se mide la profundidad de penetracin y luego se convierte al nmero de dureza, simplemente restndole a un valor estndar la profundidad de penetracin. Ambas pruebas presentan la desventaja de que el material se evala slo en la superficie y en un rea muy pequea.

Tenacidad

La tenacidad se define como la energa requerida para que se presente la falla del metal por fractura. Una fractura frgil requiere una energa menor, en tanto que una fractura dctil requiere una energa apreciablemente mayor, en este ltimo caso la energa es consumida durante la deformacin plstica hasta lograr la separacin de tomos a lo largo de la fractura. En cualquier caso la cantidad de energa requerida para lograr la falla por unidad de volumen es igual al rea bajo la curva esfuerzo-deformacin. La Figura 11.7 muestra esquemticamente los casos de falla frgil y dctil, as como las energas representadas por las reas bajo las curvas en los dos casos.

Mdulo de Corte o de Rigidez Transversal

Cuando el acero es sometido a fuerzas cortantes donde las fuerzas actuantes son paralelas al rea del material, se tiende a producir un dislocamiento lateral de la estructura atmica del material, vase la Figura 11.6, el movimiento lateral de los tomos describe un ngulo de deformacin, la tangente de ese ngulo se denomina deformacin cortante, y se representa por ,

Esfuerzo

Esfuerzo

Deformacin

Deformacin

Figura 11.7. Tenacidad de un Metal Frgil (izquierda) y de un Metal Dctil (derecha).

El mdulo de corte (G) se obtiene con la expresin G = , donde es el esfuerzo cortante, y es la deformacin cortante. El mdulo de corte se correlaciona con el mdulo de elasticidad mediante la siguiente expresin:

EG = 2(1 + )

Dondees el mdulo de Poisson con valor de 0.29 tanto para el hierro como para el acero. Temperatura de Transicin

A medida que el acero se prueba a temperaturas ms bajas, se puede observar un cambio en el comportamiento de falla, este cambio es abrupto en un rango de temperaturas muy estrecho, a dicho rango se le conoce como la temperatura de transicin, y es aqu donde la falla pasa de ser una falla dctil a ser una fractura frgil. Este fenmeno es de suma importancia para el diseador, ya que no basta con disear para una falla dctil, sino que se debe tomar en cuenta las condiciones climticas bajo las que trabajar la estructura. Esto quiere decir que el acero secomportar de manera dctil en el verano pero perder mucho de su tenacidad o capacidad para absorber energa mediante la deformacin en el invierno, todo depende de que tanto baje la temperatura.

La temperatura de transicin cobra mucha importancia cuando algn elemento de acero debe ser diseado para resistir esfuerzos bajo condiciones de impacto, generalmente la temperatura de transicin se obtiene mediante pruebas de impacto, sometiendo a las probetas a diferentes condiciones de temperatura antes de ensayarlas. Las pruebas de tensin resultan muy lentas y no permiten apreciar fcilmente la temperatura de transicin.

La prueba de impacto se realiza por medio de un Pndulo que por impacto produce la falla de un espcimen con una ranura en forma de v en la parte media, la prueba se ilustraesquemticamente en la Figura 11.8.

Energa consumida

Figura 11.8. Prueba de Impacto, Una Medida de la Tenacidad.

El rango de temperatura de transicin se muestra en la Figura 11.9, donde se aprecia la enorme influencia que la variacin de temperatura puede tener en el comportamiento del acero, esto no se presenta en todos los metales, pero en el acero por ser una estructura atmica del tipo bcc los efectos son notables.

Rango de temperatura

Temperatura

Figura 11.9. Concepto de Temperatura de Transicin en el Acero. Usos del Acero en la Construccin

La mayora de los aceros se funden en lingotes antes de darles otra forma, estos lingotes son sometidos a muy diversos procesos hasta transformar toda esta materia en diversos productos tiles en la construccin, algunos de los procesos se realizan en caliente y otros en fro (fro no debe entenderse en su sentido literal sino en una condicin de temperatura adecuada para el proceso). Los procesos ms usuales para dar forma al acero son: laminado (rolado) ilustrado con la Figura 11.10, extrusin ilustrado con la Figura 11.11, estirado, colado y forjado. Adicionalmente, una vez que se ha dado forma al acero (en general a todo metal), se le puede someter a cambios de temperatura que producen un reacomodo molecular y afectan las propiedades mecnicas del metal. Por ejemplo, si el metal una vez enfriado se vuelve a calentar (recocido) arriba de los 800 C y se enfra lentamente al aire, se logra una gran uniformidad, si se enfra lentamente en un horno se logra una estructura que facilita su maquinado posterior. Cuando se enfra el acero rpidamente por inmersin en agua o aceite se aumenta la dureza y la resistencia final, pero se reduce notablemente la ductilidad y la tenacidad. Cuando el acero se calienta a temperaturas abajo de 650 C y se enfra en aire se reduce considerablemente cualquier estado de esfuerzos residuales ocasionados por tratamientos anteriores, como la inmersin en aceite por ejemplo. Con el calentamiento del metal a bajas temperaturas se da un templado, lo que le permite aumentar su dureza y resistencia.

Figura 11.10. Proceso de Laminado del Acero.

Figura 11.11. Obtencin de Secciones de Acero por el Proceso de Extrusin.Acero de Refuerzo.

Se denomina acero de refuerzo al acero que se emplea para reforzar el concreto hidrulico, en este caso el acero de refuerzo ms comn consiste en varillas corrugadas, alambre recocido y alambrn. El acero de refuerzo se obtiene segn la ASTM de la fundicin de lingotes de acero, rieles de ferrocarril, ejes de ferrocarril y aleaciones de bajo grado. La Tabla11.3 incluye una ilustracin de una varilla corrugada laminada en caliente y las especificaciones ms usuales en el mercado nacional. Algunos fabricantes llegan a indicar las cualidades de doblado de la varilla para el acero que cumple con la norma ASTM A-7.

Tabla 11.3. Especificaciones de Varilla Corrugada de Fabricacin Nacional.

Tipo de varillaLmite de

Fluencia MinimaResistencia a la Ruptura Mnima

A3,000 kg/cm25,000 kg/cm2

B4,200 kg/cm26,300 kg/cm2

Varilla NoDimetro

Mm (pulg.)Permetro mmrea Nominal cm2Peso kg./m

2.57.9 (5/16)24.80.490.384

39.5 (3/8)29.80.710.557

412.7 (1/2)39.91.270.996

515.9 (5/8)50.01.991.560

619.1 (3/4)60.02.872.250

722.2 (7/8)69.73.873.034

825.4 (1)79.85.073.975

928.6 (1 1/8)89.86.425.033

1031.8 (1 1/4)99.97.946.225

1238.1 (1 1/2)119.711.48.938

El alambrn se fabrica tanto al bajo como al alto carbono. El alambrn al bajo carbono se emplea en el armado de estribos en trabes y columnas de concreto reforzado, los dimetros usuales en la construccin son de 5.5 y 6.3 mm. El alambrn al alto carbono se emplea para alambre de presfuerzo o para torn, su dimetro puede variar de 8 a 16 mm.El alambre recocido es un alambre muy dctil, ideal para realizar todo tipo de amarres de las varillas, su ductilidad permite cortarlo y enredarlo fcilmente para conformar el esqueleto de refuerzo para el concreto reforzado.

En la actualidad se usan cada vez ms en la construccin las mallas de acero electrosoldado, as como los castillos prefabricados por medio de electrosoldadura, este tipo de piezas permiten construir ms rpidamente algunos tipos de estructuras, especialmente en el ramo de la vivienda. El ahorro de mano de obra en el armado no solamente agiliza las construcciones sino tambin abate los costo de las mismas. La Figura 11.12 muestra varios tipos de mallas electrosoldadas.

Figura 11.12. Mallas de Acero Electrosoldadas.

Estructura de Acero.

Es posible construir una estructura totalmente de acero, salvo la cimentacin de la misma la cual normalmente se hace de concreto reforzado. Con el acero se fabrican una gran cantidad de secciones metlicas ya sea laminadas de fbrica (roladas) o soldadas (secciones compuestas), a estas secciones se les acostumbra llamar perfiles, tambin se fabrican placas, tubos, aceros redondos (seccin slida), cuadrados y de diversas geometras, soleras (tiras metlicas de espesor delgado), alambres, remaches, tornillos, tuercas, lmina galvanizada, perfiles de lmina doblada (perfiles tubulares estructurales o para puertas, marcos y ventanas), clavos, etc. La Figura 11.13 muestra algunos perfiles y piezas metlicas.

Figura 11.13. Muestra de Perfiles Laminados, Perfiles Compuestos y Piezas Metlicas.

Los fabricantes de las secciones o piezas metlicas proporcionan por lo general la informacin tcnica necesaria, como son: dimensiones, areas, pesos, momentos de inercia (I), radios de giro (r), mdulos de seccin (S), centroides, capacidades mecnicas, etc., necesarios en todo diseo.

En la actualidad el ensamble de las secciones metlicas mayores se realiza por medio de soldadura, ya casi no se acostumbra el uso de remaches, aunque estos resultan an prcticos para un gran nmero de estructuras. La soldadura presenta la enorme ventaja de que puede ser automatizada y no se requiere hacer ningn tipo de perforacin como en el caso de los remaches. Tambin es posible encontrar una gran variedad de electrodos de soldadura que permiten realizar el trabajo de soldado bajo cualquier condicin climtica. La soldadura se puede aplicar sin ninguna preparacin en los metales por unir, o haciendo cortes (rectos o en bisel) en estos para alojar ya sea parcial o totalmente la soldadura, a este trabajo se le llama soldadura de penetracin parcial o de penetracin total segn sea el caso. La Figura 11.14 muestra algunos ejemplos de trabajos de soldadura

Figura 11.14. Diferentes Posiciones y Tipos de Soldadura.

Un producto metlico que ha sufrido una gran transformacin logrando gran aceptacin en la industria de la construccin es la lmina galvanizada, Mxico se ha convertido en un importante exportador de este producto. La lmina no solamente se emplea para techar sino que ahora se emplea mucho como cimbra y/o refuerzo en el concreto. Tambin ahora existen procedimientos constructivos patentados que ofrecen construir una vivienda monoltica de concreto y acero en un da y con un solo molde. Los fabricantes de estos moldes para vivienda tambin ofrecen diseos exclusivos segn el diseo arquitectnico de la vivienda, este tipo de moldes son ideales para la construccin de casas en serie. Por cierto que en este tipo de construcciones se emplea extensivamente la malla y los castillos de acero electrosoldado para configurar el esqueleto de refuerzo. La Figura 11.15. muestra algunos tipos de lminas galvanizadas.

Figura 11.15. Algunos Tipos de Lminas Galvanizadas.

Una aplicacin muy popular de las lminas galvanizadas consiste en producir durante el laminado del producto unas pequeas deformaciones o corrugaciones de tal manera que se pueda desarrollar una adherencia entre un concreto colado sobre la lmina y la lmina misma, con esto se ha logrado implementar un verdadero sistema constructivo de entrepisos. La lmina sirve como cimbra durante el proceso de colado y debido que no se le aceita, al fraguar el concreto se desarrolla con el tiempo una adherencia tal que la lmina funciona como el acero de refuerzo de la losa, el concreto toma las compresiones y la lmina las tensiones. La Figura 11.16 muestra algunas secciones tpicas para este tipo de aplicacin, el fabricante generalmente recomienda los claros y las capacidades de carga que se pueden lograr con los diversos calibres que fabrica.LOS METALES NO-FERROSOS

La importancia que cobran los materiales no ferrosos estriba en que no sufren la corrosin como los metales ferrosos, esto los hace mucho ms durables, abatiendo enormemente los costos de proteccin y mantenimiento. Otra de las ventajas de los metales no ferrosos es su peso, el cual es mucho ms ligero que el del acero, esto desde el punto de vista estructural es muy bueno puesto que se reducen considerablemente los esfuerzos debidos al peso propio del material. Desafortunadamente, los materiales no ferrosos son ms caros que el acero, por lo que no es posible que lo lleguen a desplazar para el comn de las estructuras. Algunos de los metales no ferrosos son: el aluminio, el cobre, el plomo, el zinc, el cromio, el nquel, el molibdeno, el tungsteno, el vanadio, el titanio y el magnesio. De entre los metales no ferrosos mencionados anteriormente, los ms empleados en la construccin son el aluminio y el cobre, aunque muchos de ellos participan de manera indirecta como aleaciones en aceros especiales. Los metales no- ferrosos raramente se emplean en estado puro, generalmente son aleaciones, an el aluminio y el cobre que se usan rutinariamente en la construccin, esto se debe a que estos materiales en estado puro son muy maleables y poco resistentes. Una excepcin a esto lo constituyen las piezas y sellos de plomo que se emplean en instalaciones de plomera, pero an stas han sido prcticamente desplazadas por los plsticos.

Figura 11.16. Lminas Corrugadas para Refuerzo en Losas Compuestas para Entrepisos.

El Aluminio

El aluminio es un metal que se extrae de la bauxita por medio de un proceso industrial que involucra el tratamiento de este mineral con soluciones de soda para obtener la almina, la almina a su vez es sometida a un proceso de fundido junto con la criolita y el fluoruro de aluminio y posteriormente se somete a un flujo elctrico al travs de bloques de carbn para separar de la almina l oxigeno y el aluminio. El consumo de energa elctrica en este proceso es muy grande, requirindose de aproximadamente 10 Kw/h para extraer un poco menos de 500g de aluminio, de aqu el alto costo de este material de construccin.

El aluminio fundido se convierte en lingotes del metal, que posteriormente se transforman en los diversos productos de aluminio como se ha comentado, previamente a la fabricacin de los diversos productos finales el aluminio puede ser aleado con otros materiales para mejorar sus caractersticas, entre esas mejoras se pueden tener las siguientes: el manganeso y el magnesio le proporcionan una menor ductilidad mejorando su resistencia y rigidez, el cobre permite que el producto resista tratamientos trmicos para moldeos especiales adems mejora la durabilidad, el zinc junto con el manganeso proporcionan la aleacin ms resistente que se conoce compitiendo con algunos aceros de alta tensin en cuanto a su relacin resistencia-peso. Obviamente las aleaciones especiales de aluminio son muy caras para la construccin comn y corriente.

De las propiedades del aluminio empleado en la construccin destacan: su ligereza, su resistencia a la corrosin, su excelente capacidad de carga con respecto a su peso, razn por la cual se usa extensivamente en la industria aeronutica y cada vez ms en la industria automotriz, y finalmente su facilidad para ser moldeado en prcticamente cualquier forma. Por lo que respecta a la construccin, es de inters destacar sus cualidades con respecto al acero de uso comn, la Tabla 11.4 muestra algunas diferencias entre las propiedades mecnicas y fsicas de ambos materiales.

Tabla 11.4. Propiedades del Aluminio y del Acero.

PropiedadAluminioAcero

Mdulo de elasticidad, kg/cm2700,0002.1 x 106

Mdulo de rigidez cortante, kg/cm2280,000840,000

Mdulo de Poisson0.330.28

Peso, kg/cm30.00270.008

Coeficiente de expansin lineal23 x 10-613 x 10-6

Como se puede observar el aluminio en su estado prcticamente puro tiene un factor aproximado de un tercio de los valores que posee el acero en cuanto a los mdulos de elasticidad y de cortante, al igual que para el peso, sin embargo el acero posee mejores caractersticas de estabilidad trmica en estas condiciones. Las posibles deficiencias del aluminio se compensan enormemente por su resistencia al deterioro, especialmente a la corrosin, y por su relacin resistencia-peso adems de su apariencia. Por las caractersticas de deformacin del aluminio, las cuales son mayores que las del acero, usualmente no se maneja el lmite de fluencia para propsitos de diseo, ya que el aluminio no lo exhibe en una forma bien definida, en su caso se considera ms prctico definir para control el esfuerzo correspondiente a una deformacin plstica del 0.2 %. Por otro lado el aluminio desarrolla menores niveles de esfuerzo cuando la temperatura de trabajo aumenta, esto se debe a que el aluminio presenta un mdulo de elasticidadmenor.

Las formas estructurales que se pueden fabricar en aluminio son muy semejantes a las empleadas para el acero, con la consideracin de que debido a su menor mdulo de elasticidad es necesario considerar un mayor grosor y profundidad del eje neutro en el caso de intentar competir con el acero. Las formas estructurales se pueden lograr por laminado, colado o por extrusin, en la Figura 11.17 se muestran algunas secciones obtenidas por extrusin (el material caliente en barras se hace pasar a presin por un dado configurado en la salida con la forma de la seccin del perfil por generar).

La mayor aplicacin del aluminio en la construccin consiste en los trabajos de cancelera, ventanas, marcos, puertas, barandales y rejas, slo en el caso de estructuras especiales se ha empleado para sistemas de techado. El aluminio se puede soldar, especialmente si es aluminio de aleacin, aunque es frecuente el ensamblaje a base de tornillera. El uso de laminas de aluminio es comn en la fabricacin de paneles aligerados con poliuretano, ste elemento se emplea en la prefabricacin de casas y oficinas desmontables, en otros pases se acostumbra fabricar hojas de lmina de aluminio para impermeabilizar techos en estructuras de madera.

Figura 11.17. Secciones de Aluminio Obtenidas por Extrusin.

El Cobre

En la construccin, el cobre se usa en forma de tubera y de cableado elctrico, constituyendo una buena parte del costo de las instalaciones. Este material se obtiene de alguno o algunos de los siguientes minerales: calcopirita, cuprita y malaquita, todos ellos contienen en su constitucin qumica el elemento cobre. El proceso de obtencin del cobre es complicado, principalmente porque el material base debe triturarse y molerse hasta formar una pulpa que despus se debe someter a diversos procesos de purificacin, stos procesos involucran la flotacin con la cual se separa el material pesado que se asienta del ligero que contiene el cobre, despus se funde junto con slica y piedra caliza, el material fundido se separa en dos capas, la de arriba se llama mata de cobre con escoria en la parte superior y la de abajo es sulfuro de acero.

Una vez extraida la mata de cobre, se procede a oxidar el hierro que contiene y el azufre formandose escoria de hierro con uno y gas de dixido de sulfuro con el otro, posteriormente el material que no es cobre en un 100 % se refina por medio de un proceso electroltico y se obtienen hojas de cobre con un 99.9 % de pureza, las cuales se vuelven a fundir en lingotes, barras u otras formas que despus se procesarn para fabricar las piezas de cobre.

El cobre en su estado ms puro posee las siguientes propiedades fsicas: mdulo de elasticidad a la tensin 1.19 x 106 kg/cm2, mdulo de rigidez cortante 448,000 kg/cm2, peso especfico 8.9 (a 20 C), coeficiente de expansin trmica 17.7 x 10-6 /C (desde 20 a 300 C). El cobre puro al aire seco es inoxidable, pero expuesto al aire hmedo desarrolla una capa de sulfato hidroxil-cprico de color verdoso caracterstico de este material. El cobre puede soldarse y unirse en caliente por forja o maquinarsele en diversas formas tanto en fro como en caliente. Este material aleado con el zinc forma el latn, con el estao forma el bronce, con el aluminio forma el bronce al aluminio, con el nquel forma el cupronquel entre otros, todos estos materiales compuestos evidentemente poseen mejores cualidades fsica.