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TEMA 1

Principios generales del proyecto y construcción de estructuras metálicas.

Introducción.

Lo que pretende el proyectista:Una estructura segura, económica, funcional, estética y respetuosa con el medioambiente.

Lo que debe conocer para cumplir sus objetivos:Física, especialmente la mecánica (estática y dinámica).Matemáticas.Resistencia de materiales, cálculo de estructuras y geotecnia.Los materiales estructurales y sus propiedades (en nuestro caso, el acero).Técnicas de fabricación y montaje de las estructuras metálicas.Relación entre la forma y la función (tipologías estructurales).Saber valorar los aspectos estéticos de las construcciones.

Lo que conduce al éxito:Un sólido análisis científico (el proyecto de estructuras es una ciencia).La experiencia, imaginación, habilidad creadora, etc. (también es una arte)

Clasificación de las estructuras.

Atendiendo a las simplificaciones utilizadas en su análisis:

1D: La sección transversal es reducida frente a las otras dimensiones, por ejemplo,la pieza prismática (barra) o los sistemas de barras (estructuras de esqueleto).2D: El espesor es pequeño frente a las otras dos dimensiones, por ejemplo, lasplacas, lajas y láminas (estructuras bidimensionales).3D: Sistemas tridimensionales, por ejemplo, una presa de gravedad.

Atendiendo a la forma en la que transmiten las solicitaciones a los cimientos:

Forma activa:Los funiculares que trabajan a tracción (el cable y la malla tesa).Los antifuniculares que trabajan a compresión (la columna y el arco).

Vector activo: Las estructuras trianguladas que funciona descomponiendo vectorialmente lasfuerzas en los nudos (hay barras traccionadas y otras comprimidas).

Masa activa:Estructuras que trabajan a flexión, corte y torsión (vigas, pórticos, emparrillados,losas, etc.).

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Superficie activa:Estructuras bidimensionales que trasmiten los esfuerzos por su plano medio (enestado membrana)

Elementos estructurales y sus conexiones.

Perfiles laminados en caliente:IPN, perfil en doble te (normal) para vigas.IPE, perfil en doble te (europeo) para vigas.HEB, perfil en doble te para pilares (serie normal).HEA, perfil en doble te para pilares (serie ligera).HEM, perfil en doble te para pilares (serie pesada).UPN, perfil en U (normal).UPE, perfil en U (europeo).L, angular de lados iguales.LD, angular de lados desiguales.T, te.Redondos.

Chapas laminadas en caliente (de 4 a 60 mm de espesor).Chapas laminadas en frío.Perfiles conformados en frío

U, L, Z, etc. (se fabrican plegando flejes de chapa)Tubos redondos, cuadrados y rectangulares (se pliega la chapa y se suelda eninstalaciones automáticas).

Chapa grecada para cubiertas, cerramientos, etc.

Los elementos estructurales antes citados se cortan y se unen entre sí para configurar lasestructuras metálicas, para ello se utilizan dos medios básicos: la soldadura y los tornillos.

Soldadura. Hay cuatro procedimientos: C Soldadura eléctrica manual por arco descubierto con electrodo fusible revestido. De

rendimiento medio y especialmente adaptada a las condiciones de la obra en las quepuede haber corrientes de aire.

C Soldadura eléctrica automática o semiautomática por arco en atmósfera gaseosa y conalambre electrodo fusible. De gran rendimiento en el taller o en condiciones en las quese pueden evitar las corrientes de aire.

C Soldadura automática por arco sumergido con alambre electrodo fusible desnudo. Degran rendimiento en el taller y que requiere de equipos pesados diseñadosespecíficamente para fabricar vigas armadas, tableros ortótropos etc.

C Soldeo eléctrico por resistencia, especifico para estructuras ligeras o para soldar pernoscon descarga de condensadores en estructura pesada.

La ventaja de la soldadura es que no elimina ningún material de los elementos a unir yconsigue la continuidad del material al recristalizar el material base fundido junto al material deaportación. Se pueden conseguir altos rendimientos y gran calidad, pero, para ello, lascondiciones han de ser favorables, es decir, hay que trabajar en el taller, con operarioscualificados, con medios para voltear las piezas y ponerlas en posición favorable para ejecutar

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las soldaduras y utilizar medios semiautomáticos de gran rendimiento. El control de calidad deltrabajo ejecutado resulta sencillo, así como las posibles reparaciones de los defectos. Tambiénse puede soldar en obra, pero los resultados son peores: el rendimiento se reduce al utilizarequipos manuales, el trabajo pasa a depender de las condiciones climatológicas, se necesitaoperarios muy cualificados porque, al no poder voltear las piezas, las posiciones serán difíciles.También se complica el control de calidad y las reparaciones de las uniones defectuosas. Endefinitiva, baja mucho el rendimiento y la calidad del trabajo, retrasándose la obra.

Tornillos. Los hay de tres tipos:C Tornillos ordinarios en calidad A4t, también denominada 4.6.C Tornillos calibrados en calidades A4t y A5t, también denominadas 4.6 y 5.6.C Tornillos de alta resistencia en calidades A8t y A10t, también denominadas 8.8 y 10.9.

Los tornillos ordinarios se utilizan sólo en uniones auxiliares de montaje. El esfuerzonormal al eje del tornillo (corte) lo transmiten por corte y aplastamiento de la espiga del tornilloy las chapas, para lo que se requiere el deslizamiento de la unión hasta que las chapas tropiezancon la espiga del tornillo (el diámetro del taladro es 1 mm mayor que el de la caña del tornillo).Los tornillos calibrados tienen el mismo mecanismo de trabajo que los ordinarios, aunque no esnecesario el movimiento previo de las chapas porque se construyen con la espiga del tornillo encontacto con las chapas al tener una diferencia de diámetros de sólo 0'3 mm. Estas toleranciastan estrictas son las que restringen su utilización en la práctica a uniones de taller. Los tornillosde alta resistencia son los más utilizados al combinar su alta resistencia y tolerancias de montajeamplias: la diferencia entre el diámetro del tornillo y el del taladro es de 1 a 2 mm, sin que ellorequiera el movimiento previo de los elementos a unir para empezar a transmitir los esfuerzos,ya que el esfuerzo normal al eje del tornillo (corte) lo transmiten por fricción de las chapaspreviamente pretensadas. También funcionan muy bien frente a los esfuerzos de tracción, pordescompresión de las chapas previamente comprimidas.

La disposición de los tornillos requiere el taladrado previo de las piezas con elconsiguiente debilitamiento de las secciones taladradas, aunque las uniones pretensadas locompensan en parte al transmitir una fracción del esfuerzo por fricción antes de llegar a lasección taladrada. En el taller la conexión con tornillos no es competitiva y se limita a lasuniones que deben desmontarse. En cambio, en obra, todo son ventajas: el trabajo esindependiente de las condiciones climatológicas, no requiere de operarios cualificados, elrendimiento y calidad del trabajo es elevado. El control de calidad se limita a verificar laposición, diámetro y par de apriete de los tornillos. Si es inadecuado, la reparación es inmediata.El único inconveniente en la obra es que los fallos de replanteo no se pueden disimular tanfácilmente, lo que obliga a ser mucho más cuidadoso en la topografía, oficina técnica y trabajode taller. En resumen, la mayor rapidez de ejecución requiere un trabajo previo de más calidad.

Cada medio de unión tiene sus ventajas e inconvenientes. En la actualidad existeconsenso en que la soldadura es el medio más adecuado para los trabajos de taller. Para lostrabajos de obra no hay unanimidad y, aunque cada vez se imponen más los tornillos, tambiénse utilizan soluciones soldadas cuando se desea un aspecto estético cuidado. Muchas veces seadoptan soluciones mixtas, con parte de las uniones de obra soldadas y otras atornilladas.

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Fases del proyecto y construcción.

Ingeniería básica (proyectista):Selección del tipo estructural.Cálculo de la estructura:

Determinar las acciones.Determinar reacciones, esfuerzos, tensiones y movimientos.Dimensionar los elementos estructurales (se opera normalmente por elprocedimiento de prueba y error o éxito) .

Elaboración del documento “Proyecto”. Normalmente la estructura metálica es unaparte de una obra más completa y la estructura tiene su reflejo en partes de lamemoria (anejo de cálculos estructurales), planos, pliego de condiciones,presupuesto y seguridad y salud.

Ingeniería de detalle (contratista, en realidad el taller al que el contratista subcontrata laestructura metálica):

Planos de taller o despieces.

Fabricación y montaje:Pedido y recepción de materiales.Fabricación en taller.Transporte a la obra.Montaje en obra.

Control de calidad.La estructura debe hacerse bien y este aspecto lo controla la “Dirección” de la obrautilizando técnicas de control de calidad, que afectan a los materiales utilizados, lafabricación en el taller y el trabajo en la obra.

Los trabajos en el taller y en la obra.

Las estructuras grandes no se pueden fabricar completas en el taller, transportarlas en unapieza a la obra y situarlas en su emplazamiento definitivo con una operación. La estrategia quese aplica en estos casos es la de “divide y vencerás”. Así, la estructura completa se descomponeen varios “módulos de transporte”, que son las partes que se transportan por separado desde eltaller a la obra. Cada “módulo de transporte” está formado por una o varias piezas (perfiles ychapas) que se cortan, arman y unen en el taller. Los “módulos de transporte” se arman y unenen la obra al nivel del suelo para formar los “módulos de izado”, que son las partes que selevantan por separado en una operación. Por último los “módulos de izado” se unen en la obraen su posición definitiva, lo que requiere sujetarlos provisionalmente con apeos y trabajar acierta altura, uniendolos, hasta que se termina la construcción y se retiran los apeos.

En el taller hay mejores condiciones y medios de trabajo que en la obra, de modo que eltamaño de los “módulos de transporte” lo limita el racional aprovechamiento de los medios detransporte disponibles. A su vez, el trabajo en el suelo de la obra es más cómodo y seguro queel trabajo en altura, de modo que el tamaño de los “módulos de izado” lo limita la capacidad deelevación de los medios de izado disponibles en la obra, normalmente grúas.

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El trabajo del taller es la fabricación de los “módulos de transporte”, mientras que eltrabajo de los montadores es ensamblar los “módulos de transporte” para formar los “módulosde izado” y, una vez izados, ensamblarlos en altura para completar la estructura. El conjunto deltrabajo (fabricación y montaje) lo puede realizar sólo una empresa o empresas diferentes.También se suele necesitar el concurso de otras empresas para realizar materialmente eltransporte, ejecutar las operaciones de izado y suministrar los apeos para sujetar los elementosen la posición en la que se arman en la obra.