• Author / Uploaded
• Jose Manuel Schwarzenberg

Citation preview

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACION UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIENTAL DE LA FUERZA ARMADA NACIONAL NUCLEO – APURE SECCIÓN – 08-ICV-D01

EL ACERO

PROFESOR:

AUTORES:

ING. JOSÉ SHWARZAENBERG.

AZUAJE CHRISTIAN. ACOSTA FIELMAR. ACOSTA FIDELMAR. CASTILLO DERWUINS. JIMENEZ JOEL JOSÉ ORTA ENDERSÓN. MONTOYA MARIALIS RAMOS CARLOS UVIEDO CRISTINA. VERENZUELA JOSÉ

SAN FERNANDO DE APURE, JUNIO DEL 2015

INDICE Pag. INTRODUCCION……………………………………………………………….………………………………………………. EL ACERO………………………………………………………………………………………………………………………….. EVOLUCION DEL ACERO………………………………………………………………………………………………….. PRODUCCION DEL ACERO……………………………………………………………………………………………...... CLASIFICACION DE LOS ACEROS……………………………………………………………………………………….. PROPIEDADES DEL ACERO ESTRUCTURAL…………………………………………………………………………. CARGAS Y CRITERIOS DE DISEÑO……………………………………………………………………………………… COMBINACIONES DE CARGAS FACTORIZADAS…………………………………………………………………. TIPOS DE ACERO ESTRUCTURAL……………………………………………………………………………………….. SECCIONES COMERCIALES DEL ACERO ESTRUCTURAL……………………………………………………… PROPIEDADES MECÁNICAS Y QUÍMICAS DEL ACERO ESTRUCTURAL………………………………… EL ACERO EN LA CONSTRUCCIÓN …………………………………………………………………………………….. VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL………………………………………………….. DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL…………………………………………….. PROBLEMAS ESPECIALES DE LAS ESTRUCTURAS METÁLICAS……………………………………………. MIEMBROS Y ESTRUCTURA………………………………………………………………………………………………. CONEXIONES Y ESTABILIDAD……………………………………………………………………………………………. ARMADURAS PASIVAS…………………………………………………………………………………………………….. ARMADURAS ACTIVAS……………………………………………………………………………………………………… CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DEL ACERO…………………………………………………………………….. TENSIONES ADMISIBLES DEL ACERO………………………………………………………………………………… COMPARACIÓN DEL DISEÑO POR TENSIONES DE TRABAJO CON EL DISEÑO POR RESISTENCIA……………………………………………………………………………………………………………………. EL RELAJAMIENTO DEL ACERO……………………………………………………………………………………….. ESPECIFICACIONES NACIONALES E INTERNACIONALES……………………………………………………. ESPECIFICACIONES DEL ACERO SEGÚN LA NORMA COVENIN 1753-06……………………………. REFUERZO TRANSVERSAL EN MIEMBROS SOLICITADOS A FLEXIÓN………………………………….. REFUERZO POR RETRACCIÓN DE FRAGUADO Y VARIACIÓN DE TEMPERATURA……………….. REQUISITOS DE INTEGRIDAD ESTRUCTURAL……………………………………………………………………. PRACTICAS CONSTRUCTIVAS……………………………………………………………………………………………. CONCLUSION…………………………………………………………………………………………………………………… BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………………………………………………………………..

2

3 6 7 8 10 11 15 21 21 23 24 26 27 28 28 29 29 30 38 38 45 46 50 53 55 64 65 66 67 70 71

INTRODUCCION El fierro es el material formado por el hierro puro, mezclado con otros elementos para construir aleaciones, particularmente con carbono, manganeso y silicio, a fin de obtener un acero dulce con el que se elaboran diversos perfiles empleados en la construcción. Se llama hierro dulce al obtenido mediante varias etapas de fabricación para eliminar impurezas, como sílice y manganeso en el periodo de baja fusión; en el periodo de afinamiento se eliminará parte del fósforo y del azufre, y en el de ebullición se suprimirá el carbono y el resto de los anteriormente citados. El producto obtenido se forja para eliminar la mayor parte de la escoria lo que da como resultado un material muy maleable. El laminado en barras que se calientan y laminan en el número de procesos deseados aumentará su densidad, de modo que el producto final se obtendrá libre de impurezas y será fácil de trabajar y soldar. Las diversas cualidades de los aceros se determinan por la proporción en que intervengan dichos contenidos al fijar su resistencia, maleabilidad, soldadura, etc. Las impurezas que contenga el hierro alterarán sus cualidades y su comportamiento final y podrán ser perjudiciales, como el azufre y el fósforo, o benéficas como el manganeso, que aumenta su dureza y su resistencia, aunque pueda afectar otros aspectos como es el caso de su maleabilidad; así mismo, el silicio y el carbono confieren dureza a la fundición y este último también agrega tenacidad y temple. Las secciones empleadas normalmente en construcciones metálicas pueden ser: planas (flejes y chapas) y perfiles laminados de acero al carbono, que quedarán designados por su forma y dimensiones expresadas en milímetros o pulgadas. Los elementos estructurales pueden estar constituidos por perfiles simples o por secciones compuestas o combinadas.

3

El acero es uno de los materiales estructurales más versátiles, cuenta con una gran resistencia, poco peso y facilidad de fabricación entre otras ventajas, mismas que se explicarán más adelante. El primer uso del metal en una estructura se dió en Shropshire, Inglaterra, en 1779. En ese lugar se construyó con hierro fundido el puente Coalbrookdale en forma de arco, de 100 pies de claro sobre el río Severn. Este puente fue un punto crítico en la historia de la ingeniería porque cambió el curso de la Revolución Industrial al introducir al hierro como material estructural. El acero no se fabricó económicamente en los Estados Unidos hasta finales del siglo XIX. Las primeras vigas de patín ancho no fueron laminadas hasta 1908; desde ese momento, en aquel país y en el resto del mundo, el acero ha sido uno de los materiales más utilizados en la construcción de un gran número de diversas estructuras. Entre las propiedades más importantes que destacan del acero, se encuentran: Elasticidad.- Propiedad de los cuerpos de volver a su forma original al cesar una fuerza deformante. Se considerarán perfectamente elásticos si no han rebasado su límite de elasticidad. Ductilidad.- Es la propiedad que tienen los materiales de soportar grandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensión. Un material que no tenga esta propiedad probablemente será duro y frágil y se romperá al someterlo a un golpe repentino. En miembros sometidos a cargas normales se desarrollan altas concentraciones de esfuerzos en varios puntos. La naturaleza dúctil de los aceros estructurales comunes les permite fluir localmente en esos puntos, evitando fallas prematuras. Al sobrecargar una estructura dúctil, sus grandes deflexiones ofrecen evidencia visible de la inminencia de la falla. Tenacidad.- Los aceros estructurales poseen resistencia y ductilidad. Al conjunto de estas acciones se le conoce como tenacidad. Un miembro de acero 4

cargado hasta que se presentan grandes deformaciones será aún capaz de resistir grandes fuerzas. También se conoce a la tenacidad como la capacidad de un material para absorber energía en grandes cantidades. Alta resistencia.- La alta resistencia del acero por unidad de peso implica que será relativamente bajo el peso de las estructuras, gran ventaja en la construcción de grandes claros como es el caso de puentes o edificios altos. Uniformidad.- Las propiedades del acero no cambian apreciablemente en el tiempo como es el caso de las estructuras de concreto reforzado. Los aceros estructurales modernos se pueden clasificar según la ASTM (American Society for Testing and Materials) en: aceros de propósitos generales (A36), aceros estructurales de carbono (A529), aceros de alta resistencia y baja aleación (A572), aceros estructurales de alta resistencia, baja aleación y resistentes a la corrosión atmosférica (A242 y A588) y aceros templados y revenidos (A514 y A852). En la tabla 3-1 se puede observar un comparativo de las propiedades de estos aceros estructurales.

5

EL ACERO

El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,05% hasta menos de un 2%). Algunas veces otros elementos de aleación específicos tales como el Cr (Cromo) o Ni (Níquel) se agregan con propósitos determinados. Ya que el acero es básicamente hierro altamente refinado (más de un 98%), su fabricación comienza con la reducción de hierro (producción de arrabio) el cual se convierte más tarde en acero. El hierro puro es uno de los elementos del acero, por lo tanto consiste solamente de un tipo de átomos. No se encuentra libre en la naturaleza ya que químicamente reacciona con facilidad con el oxígeno del aire para formar óxido de hierro - herrumbre. El óxido se encuentra en cantidades significativas en el mineral de hierro, el cual es una concentración de óxido de hierro con impurezas y materiales térreos. Entre sus principales características se tiene: -Densidad de 7850 Kg/m3. -Punto de función depende de la aleación pero se puede considerar los 1500 °C como un valor medio. -Punto de ebullición de 3000 °C. -Es dúctil (maleable) y tenaz (resistente al impacto) y por lo tanto tiene a ser fácilmente maquinable con ayuda de máquinas herramientas así como soldable. -La corrosión suele ser uno de los peores enemigos del acero ya que este se oxida fácilmente, por lo cual es recomendado protegerlo del contacto con el aire y la humedad mediante la aplicación de pinturas o tratamientos superficiales, o en su defecto se lo mezcla con cromo para evitar este efecto (acero inoxidable). -Es

un buen conductor del calor y la electricidad y tiene también una

interesante capacidad de dilatarse aproximadamente 1,2*10-5 y es muy similar al del hormigón por lo cual es una razón más para usarlo en la construcción.

6

EVOLUCIÓN DEL ACERO

La obtención del hierro se remonta a la Edad de Piedra en el año 3000 A.C., sin embargo los primeros aceros producidos con características similares de calidad

( cantidad suficiente) al acero actual fueron obtenidos por Sir Henry

Bessemer en 1856 con la ayuda de un proceso por el diseñado utilizando fósforo y azufre, sin embargo debido a la necesaria presencia de estos elementos, ha caído en desuso, siendo sustituido por el sistema inventador por Sir William Siemens en 1857 el cual descarburiza la aleación de acero con la ayuda de óxido de hierro.

Usado con diversos fines (Ornamentales o Bélicos). El proceso de obtención del hierro consistía en hornos de carbón similares a los usados para la obtención del cobre. La siderurgia fue desarrollándose lentamente, con el uso de los denominados bajos hornos. Con la aparición de la energía hidráulica fue posible el empleo de hornos cada vez más altos transformando notablemente la técnica de la siderurgia. En el desarrollo siderúrgico la fabricación de los materiales ferrosos fue impulsada por el avance tecnológico permitiendo la instalación de los altos hornos. El proceso inicial de producción de acero en gran escala correspondió a Sir. Henry Bessemer, en Inglaterra en 1855, con la creación del Convertidor que lleva su nombre y que fue usado sin modificaciones hasta principios del Siglo XX. Desde la década de 1960 funcionan varios minihornos que emplean electricidad para producir acero a partir de chatarra. Sin embargo, las grandes instalaciones de altos hornos continúan siendo esenciales para producir acero a partir de mineral de hierro. Esta técnica permite obtener el acero colado, más duro y consistente que otros productos siderúrgicos.

7

PRODUCCIÓN DEL ACERO

Se basa en la aplicación de dos procesos siderúrgicos diferentes, que son:

El Alto Horno, con Reducción en el Convertidor de oxígeno La Reducción Eléctrica con Hornos Eléctricos.

-Alto Horno Es en esencia una gran cuba, con forma tubular de hasta 40 m de altura y unos 7 m de diámetro interno máximo, construido de acero y revestido interiormente con material refractario. La parte superior o boca del Alto Horno se conoce como Tragante. Por allí es donde se introducen los minerales de aporte y el combustible. La cuba va aumentando progresivamente su diámetro, la cual se designa por Vientre. Con ello se facilita el descenso de los materiales, hacia la base dentro del Alto Horno. Dentro de la cuba la temperatura aumenta y se fusiona el material pasando al estado sólido similar al de una masa pastosa. En este punto se elimina los gases y el aire. La zona llamada Atalaje, permite la disminución progresiva del diámetro del tubo, disminuyendo así la velocidad de la carga. En la base del Atalaje, el metal alcanza su punto de fusión y es allí en donde se producen las escorias finales. El metal, pasa al último tramo del Alto Horno, conocido como Crisol. El Crisol tiene dos funciones básicas: 1.- Permitir la entrada de aire caliente a través de las tuberías llamadas Toberas que se conectan en la parte superior del Crisol. 2.- Contener al final del proceso, el Arrabio líquido a altas temperaturas. En el Crisol hay dos orificios de salida: el superior, por donde se procede la colada de la Escoria y los desechos; el inferior por donde se realiza la colada del Arrabio. El Arrabio, conocido por hierro crudo o primario, es el resultado del primer proceso de refinación o reducción del mineral ferroso dentro del Alto Horno. 8

El Arrabio es recogido en estado de fusión en grandes recipientes conocidos por Cucharones de Colada o Cubilotes, para luego ser transportado a los Convertidores en donde se lleva a cabo la segunda refinación o reducción del metal.

Procesos de Reducción

1.- Primera Reducción: En el Alto Horno. A partir de los materiales ferrosos de la carga, se obtiene Arrabio, hierro crudo o fundición liquida. 2.- Segunda Reducción: En el Convertidor o los Hornos Reverberos. Por Ventilación Forzada, se oxida el Carbono en exceso que contiene el Arrabio. Los métodos más usados en esta 2da reducción son los Hornos Siemens-Martin y los Convertidores tipo Bessemer o Thomas. 3.- Tercera Reducción: En los Cucharones de Colada. Este proceso elimina el exceso de oxígeno, para lo cual el metal fundido se asocia con Agregados.

-Refinación del Arrabio Constituye la segunda reducción en la producción del Acero. Los procesos más comunes son los Hornos de Reverbero y los Convertidores. Básicamente, en ambos métodos, el tratamiento consiste en cargar de Arrabio líquido un horno de acero revestido con material refractario y ponerlo en contacto con corrientes de aire o gases de combustión. El oxígeno aportado refina por oxidación la masa metálica en estado de Fusión. a.- Hornos Tipo Siemens-Martin: Este tipo de Horno es Ideado por Siemens en Inglaterra en 1864, para aplicaciones no siderúrgicas y luego modificado por Martin en Francia años más tarde. b.- El Convertidor Bessemer: Este Convertidor consiste en un horno de grandes dimensiones. La tercera reducción consiste en menguar o disminuir este contenido excesivo de oxígeno, empleando ferroaleaciones de Silicio, Manganeso entre otros. Este último proceso de Desoxidación, da por resultado un Acero Refinado, 9

apto para los Fines Estructurales, y con características mecánicas especiales de: Dureza, Resistencia, Ductilidad, entre otros. De estos hornos se obtiene Acero Líquido, que luego es vaciado en moldes de colada continua, donde se producen lingotes que posteriormente son laminados o procesados. La principal Ventaja de los Hornos Eléctricos es que la carga no se halla en contacto directo con los productos de combustión, lo cual permite obtener aceros de mejor calidad.

-Reducción Directa con Hornos Eléctricos: Luego de refinado, el acero es colado en moldes en forma continua, o bien se lo conforma en planchones o palanquillas. Los lingotes así obtenidos de las diferentes coladas son posteriormente sometidos a los procesos de manufactura más usuales (Trefilado, Forjado, Laminado en Frio o en Caliente, entre otros), hasta lograr los productos de acabados finales.

CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS Los aceros pueden clasificarse según: -Su composición química -Su contenido de óxidos -Sus propiedades mecánicas -Su calidad. Según su Composición Química: De acuerdo a su composición química, los aceros pueden ser: -Aceros sin alear -Aceros semi-aleados -Aceros aleados Las aleaciones influyen en las propiedades del acero. Entre los metales de aleación se pueden citar el cobre (Cu), el níquel (Ni), el aluminio (Al), el silicio (Si), el Manganeso (Mn) y el cromo (Cr).

10

El Cr mejora la resistencia a la corrosión y al desgaste, así como el Cu incrementa la ductilidad y también mejora la resistencia a la corrosión. El Mn facilita la soldabilidad y el Mo permite una mejor deformación en frío; el Ni incrementa la resistencia a la tracción y el Al le confiere al material una estructura de grano fino, con buenas propiedades de soldabilidad. Según su Contenido de Óxidos: Según su contenido de óxidos, el grado de desoxidación de los aceros permite clasificarlos en: -Aceros efervescentes. -Aceros semi-calmados. -Aceros calmados. Según sus Propiedades Mecánicas: Las propiedades mecánicas de los aceros dependen de su composición química, de sus aleaciones, de su proceso de laminación, forma de enfriamiento, tratamiento térmico posterior y el tipo de solicitación a que sean sometidos. Se clasifican en: -Acero Común (acero dulce) -Aceros de Alta Resistencia -Aceros Especiales

PROPIEDADES DEL ACERO ESTRUCTURAL

11

Entre las propiedades mecánicas del acero se pueden enumerar: 1.- El Límite de Proporcionalidad, Fp. 2.- El Esfuerzo de Cedencia, Fy. 3.- El Esfuerzo de Agotamiento, Fu. 4.- La Ductilidad. 5.- El Módulo de Elasticidad, E. 6.- El Coeficiente de Poisson, ν. 7.- El Módulo de Corte, G.

Diagrama Esfuerzo-Deformación.

12

Otras propiedades mecánicas de los aceros son: 1.- La Tenacidad 2.- La Dureza 3.- La Soldabilidad 4.- La Formabilidad 5.- La Durabilidad y Resistencia a la Corrosión 6.- La Resistencia al Impacto 7.- La Resistencia a la Fatiga

1.- La Tenacidad: Es la capacidad de un material de absorber una gran cantidad de energía, antes que sobrevenga la rotura. El área encerrada bajo la curva del diagrama esfuerzo deformación del acero, mide el grado de tenacidad del material. 2.- La Dureza: Es la resistencia de un material a la penetración de su superficie Existen varios índices de durezas; el número de índice de Brinell que se calcula a partir del área de penetración de una gran masa con una esfera muy dura de acero, bajo una carga estándar. La dureza de Rockwell que mide la penetración de un pequeño y estandarizado penetrador. 3.- La Soldabilidad: Es la propiedad de permitir la ejecución y perfecto funcionamiento de una unión mediante soldadura, bajo determinadas condiciones, sin que afecten las propiedades mecánicas del acero. 4.- La Formabilidad: Es la facilidad con que el material puede ser cambiado de forma sin fracturarlo ni producirle daño. 5.- La Resistencia a la Corrosión: Es la propiedad de resistencia al deterioro en la intemperie o medio ambiente agresivo. Métodos de protección a la corrosión el uso de pinturas anticorrosivas sobre capas protectoras y aleaciones de cobre y plomo.

13

6.- Resistencia al impacto: Es la capacidad de absorber la energía provocada por cargas de tipo impacto. El Impacto es la aplicación súbita de una carga viva o acción dinámica. Este efecto estructural se toma en consideración como un esfuerzo adicional al de las cargas vivas aplicadas, mediante un incremento de las fuerzas estáticas entre un 30% a un 100%. La resistencia al impacto se reduce al disminuir la temperatura. Ejemplo: Los puentes de ferrocarril, carreteros, rampas y grúas. 7.- Resistencia a la fatiga: Debe ser resistente a la fatiga aquellos miembros estructurales y conexiones que soportan cargas de variación cíclicas con un elevado número de repeticiones durante su vida útil, y la falla ocurre con esfuerzos inferiores a las cargas estáticas. También interesa al Ingeniero Estructural conocer el comportamiento de las secciones de acero bajo los siguientes efectos: 1-Efecto del trabajo en frío. 2-Los esfuerzos residuales. 3-La concentración de esfuerzos. 4-El efecto de la temperatura.

1-Efecto del trabajo en frío: Afecta las propiedades mecánicas del acero, endureciéndolo, e incrementa su esfuerzo de cedencia Fy pero reduce su ductilidad. 2-Efectos Residuales: Se originan por el enfriamiento no uniforme de los perfiles de acero laminados en caliente, que influyen en el comportamiento posterior de las secciones alterando su capacidad resistente. Estos esfuerzos pueden ser de tracción y compresión. 3-Concentración de Esfuerzos: Ocurre cuando se interrumpe la uniformidad del área transversal de un miembro cargado, debido a la perturbación en la distribución de los esfuerzos resultantes.

14

Efectos de la Temperatura: -Baja Temperatura: El descenso de la temperatura favorece la rotura frágil del acero estructural, en especial cuando se ha sido deformado en frío. -Alta Temperatura: El acero no es un material inflamable Su resistencia se ve afectada por la temperatura A 500°C disminuye a 75% con respecto a la temperatura ambiente y a 800°C es sólo del 18%.

CARGAS Y CRITERIOS DE DISEÑO

-Tipos de Cargas  Acciones Permanentes  Acciones Variables.  Acciones Accidentales.  Acciones Extraordinarias.  Acciones Reológicas.  Acciones Térmicas.

15

16

Criterios de Diseño. Consiste en seleccionar las secciones óptimas de los miembros, sus uniones y conexiones. Se pueden emplear métodos que tomen en consideración el comportamiento de la estructura en rango elástico o que algunos de sus elementos incursionen en el rango inelásticos.

1.- Rango Elástico (Esfuerzo Permisibles- ASD)  Cargas de servicio  Esfuerzos admisibles  Ley de Hooke  Valores de E, G y ν constante.  Superposición entre causa y efecto.  En flexión, secciones planas permanecen planas antes y después de la deformación (Navier-Bernoulli).  Se desprecia la presencia de esfuerzos residuales.  Es válido el principio de las deformaciones virtuales (Solo es necesario análisis de primer orden).

2.- Estados Límites (Utilidad estructural-LRFD) Es el estado en donde más allá de cierto valor o LIMITE la estructura

ya

no es apta para satisfacer la función prevista. Estos Límites son:  Estado de resistencia.  Límite de deformabilidad.  Vibraciones.  Inestabilidad. -Estados Límites – Entre sus objetivos esta:  Mantener la estructura alejada de la probabilidad de superar los límites de utilidad estructural.

17

 Mantener la resistencia rigidez y estabilidad (local y global) para cualquier estado de carga en su vida útil.  Asegurar que la estructura tenga la capacidad de absorber y disipar energía de manera

de mantener un comportamiento dúctil para cualquier

combinación de carga que pueda ocurrir.

Los criterios para diseñar en esta teoría serán: LIMITE DE AGOTAMIENTO RESISTENTE: (Resistencia, estabilidad) LIMITE DE SERVICIO: (Deformaciones, vibraciones)

- Límite de Agotamiento Resistente. Relaciona la seguridad y capacidad resistente de cada miembro, uniones y conexiones teniendo una resistencia de diseño mayor o igual a la resistencia requerida que se obtiene al mayorar las cargas nominales.

Dónde: Rn ó Rt: Resistencia teórica, nominal o de diseño. : Factor de minoración de resistencia. : Factor de mayoración de carga. Qi: Acciones nominales.

- Límite de Agotamiento Resistente.

DEMANDA: Cargas Factorizadas CAPACIDAD: Resistencia Factorizadas “MAYORAS LAS CARGAS, MINORA LA RESISTENCIA” - Límite de Agotamiento Resistente. 18

Es un factor, normalmente menor que 1, que toma en cuenta la incertidumbre en la determinación de la resistencia nominal, incluye la variabilidad en la calidad de los materiales y en las dimensiones previstas, errores de construcción, idealizaciones de los modelos matemáticos, limitaciones en la teoría de análisis y diseño.

Es un factor, normalmente mayor que 1, que toma en cuenta la incertidumbre en la determinación del sistema de cargas nominales Qi. Incluye la variabilidad del sistema de las cargas, modificaciones en el uso de la estructura, variación en los pesos unitarios, etc.

- Límite de Agotamiento Resistente. 

Estado Límite de Agotamiento Resistente.

DEMANDA: Cargas Factorizadas CAPACIDAD: Resistencia Factorizadas 19

“MAYORAS LAS CARGAS, MINORA LA RESISTENCIA” Una estructura es segura si: R-Q0 R/Q1 Ln (R / Q)  0

Una estructura es segura si: R-Q0 R/Q1 Ln (R / Q)  0

- Límite de Servicio.  Es la condición máxima aceptable para cual una estructura mantiene su apariencia, durabilidad y confort en condiciones normales de ocupación y uso (servicio). 20

 Los parámetros que definen las condiciones de servicio son: flechas limitadas, vibraciones controladas, derivas aceptables (sismo). -Flechas: Se refiere al control de la deformada de elemento por acciones de cargas gravitacionales (CM, CV) o accidentales (W, S). Esto se traduce en proporcionar la rigidez apropiada al elemento. (d≥ l/20).

-Vibraciones: Cuando el control de vibraciones se refiere al tránsito peatonal, el control de la flecha puede ser insuficiente, para prevenir vibraciones indeseables cuando las personas caminan por las ambientes.

COMBINACIONES DE CARGAS FACTORIZADAS

CP: Acciones Permanente.

CV: Acciones Variables

CVt: Acciones Variables de techos.

W: Acción del Viento.

S: Acción del Sismo.

F: Acción de fluidos.

T: Acciones Reológicas o térmicas.

H: Acción de empujes lateral de

tierras.

TIPOS DE ACERO ESTRUCTURAL Debido a que el acero estructural puede laminarse económicamente en una variedad de formas y tamaños sin un cambio importante de sus propiedades físicas, La industria de la construcción ha desarrollado diferentes formas de 21

secciones y tipos de acero que se adaptan más eficientemente a las necesidades de la construcción. Las aplicaciones comunes del acero estructural en la construcción incluyen perfiles estructur ales

de

seccione s: I, H, L, T, usadas en edificios e instalacio nes para industrias ;

cables

para puentes colgantes, atirantados y concreto preesforzado; varillas y mallas electrosoldadas para el concreto reforzado; láminas plegadas usadas para techos y pisos.

22

SECCIONES COMERCIALES DEL ACERO ESTRUCTURAL El acero estructural según su forma se clasifica en: 

Perfiles Estructurales: Los perfiles estructurales son piezas de acero laminado cuya sección transversal puede ser en forma de I, H, T, canal o ángulo.



Barras: Las barras de acero estructural son piezas de acero laminado, cuya sección transversal puede ser circular, hexagonal o cuadrada en todos los tamaños.



Planchas: Las planchas de acero estructural son productos planos de acero laminado en caliente con anchos de 203 mm y 219 mm, y espesores mayores de 5,8 mm y mayores de 4,5 mm, respectivamente. 

Aceros para Hormigón (Acero de refuerzo para armaduras):  Barras corrugadas.  Alambrón  Alambres trefilados ( lisos y corrugados)  Mallas electro soldables de acero – Mallazo.  Armaduras básicas en celosía.  Alambres, torzales y cordones para hormigón pretensado.  Armaduras pasivas de acero Redondo liso para Hormigón Armado.  Aceros para estructuras en zonas de alto riesgo sísmico.

Para estructuras de hormigón se utilizan barras lisas y corrugadas, con diámetros que oscilan entre los 6mm y los 40mm, aunque lo común en una armadura de hormigón es que difícilmente superen los 32mm. Además el acero de refuerzo se utiliza en las mallas electro soldadas o mallazo constituidos por alambres de diámetros entre 4mm a 12mm.

23

Según ASTM (sociedad americana para las pruebas de materiales) el acero estructural se clasifica: 

Acero ASTM A - 36 (NTC 1920):

Es un acero estructural al carbono,

utilizado en construcción de estructuras metálicas, puentes, torres de energía, torres para comunicación y edificaciones remachadas, atornilladas o soldadas, herrajes eléctricos y señalización.



Acero ASTM A - 572 (NTC 1985): Es un acero de calidad estructural de alta resistencia y baja aleación Es empleado en la construcción de estructuras metálicas, puentes, torres de energía, torres para comunicación, herrajes eléctricos, señalización y edificaciones remachadas, atornilladas o soldadas.



Acero ASTM A - 242 (NTC 1950): Es un acero de alta resistencia y baja aleación (HSLA), para construcciones soldadas, remachadas o atornilladas, aplicado principalmente para estructuras.

PROPIEDADES MECÁNICAS Y QUÍMICAS DEL ACERO ESTRUCTURAL Propiedades Mecánicas. Las propiedades mecánicas de un material está referido al reflejo de la relación entre la respuesta o deformación ante una fuerza aplicada, debido que en ámbito de la construcción, muchos materiales cuando están en servicio están sujetos a fuerzas o cargas. La descripción más completa de las propiedades mecánicas de los aceros (propiedades utilizadas en el diseño estructural) se la realiza mediante una curva de esfuerzo – deformación, bajo cargas de tracción, las mismas que varían dependiendo de la composición química del material y su proceso de fabricación.

24

Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades.

 Su densidad media es de 7.850 Kg m-3. . 

El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de 1510 °C, sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1375 °C (2500 °F).



Su punto de ebullición es de alrededor de 3000 °C (5400 °F).

Es fundamental señalar que Las tolerancia, dimensiones de los aceros para la construcción se encuentran estandarizados en la norma ASTM A 36/ A 36 -.94, en donde se encuentran las propiedades mecánicas y químicas según el tipo de acero.  Propiedades Químicas: En la industria de la construcción podemos apreciar el acero no aleado y el acero aleado, el acero estructural es un acero aleado como se puede mencionar en su definición. Aunque cada compañía tiene su composición exacta para cada tipo de acero ofreciendo catálogos detallados que les ofrecen resistencias determinadas a los ingenieros en un ámbito general las propiedades químicas de estos son:

25



Acero No Aleado: 

1.6% c.



baja cantidad de manganeso, silicio, azufre y fósforo



el azufre y fósforo son impurezas. su cantidad ha de ser < 0.05%



manganeso (mn), < 1.6%: le da resistencia y pasa a ser un material dúctil a temperaturas bajas.



silicio: mejora la resistencia, cantidad ha de ser < 0.6% porque puede ocurrir la fragilidad (fe3c).



Acero Aleado: Unión íntima entre dos o más metales en mezcla homogénea:  1.6% C,  0.6 % silicio.  1.6 % manganeso, + algún otro elemento, entre los cuales está: EL cobre y el cromo mejoran la corrosión del acero. Un acero con >= 12% Cr, es un acero inoxidable.

Aceros con 12% Cr, y 7% Ni, forman el grupo de acero inoxidable. EL ACERO EN LA CONSTRUCCIÓN El uso del acero como material para la construcción, así como para la creación de herramientas data desde años muy remotos el hombre con el transcurso del tiempo fue adquiriendo conocimientos sobre las características de este material lo que lo llevo a una evolución constante y a su aplicación en diversos ámbitos, sin embargo en el mundo de la construcción no era muy usado, sus principales funciones eran decorativas y para herramientas. El acero comienza como elemento estructural en el siglo XVIII; en 1706 se fabrican en Inglaterra las columnas de fundición de hierro para la construcción de la Cámara de los Comunes en Londres y así su aplicación en la construcciones se 26

infunde y amplia cada vez más, irrumpiendo en el siglo XIX dando nacimiento a una nueva arquitectura, que se rige en protagonista a partir de la Revolución Industrial, llegando a su auge con la producción estandarizada de piezas. Aparece el perfil "doble T" en 1836, reemplazando a la madera y revoluciona la industria de la construcción creando las bases de la fabricación de piezas en serie. Hoy en día El acero es tal vez el material más ampliamente utilizado en las grandes edificaciones actuales, muy importante en las estructuras por las características antes mencionadas. En la construcción de puentes colgantes, los hilos, las cerchas y vigas que sostienen a estos son hechos de acero, la rapidez de las construcciones lo hace el favorito de la mayoría de las constructoras ya que en cuanto menor tiempo pase para la culminación de un edificio, más rápido se van a lograr ganancias, además en comparación con las construcciones de concreto las de acero son más livianas, ofrecen espacios mucho más amplios, es sencillo hacer ventanales panorámicos y edificaciones más altas. Una de las pocas desventajas del acero en la construcción es que no es muy resistente a la corrosión y al fuego (aunque existen aditivos y recubrimientos especiales para casos de incendio) y requieren de mano de obra calificada. Junto con las estructuras de acero se han desarrollado cerramientos y muros divisorios al igual que entrepisos (la placa de piso de una construcción que separa uno de otro) más livianos y que no requieren de apoyo en grandes dimensiones, fabricados adicionalmente de manera industrializada. VENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL Tiene una gran firmeza: La gran firmeza del acero por la unidad de peso significa que el peso de las estructura se hallará al mínimo, esto es de mucha eficacia en puentes de amplios claros. Semejanza: Las propiedades del acero no cambian perceptiblemente con el tiempo. Durabilidad: Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado duraran unos tiempos indefinidos. 27

Ductilidad: La ductilidad es la propiedad que tiene un material de soportar grandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de tensión. La naturaleza dúctil de los aceros estructurales comunes les permite fluir localmente, evitando así fallas prematuras. Tenacidad: Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. La propiedad de un material para absorber energía en grandes cantidades se denomina tenacidad.

DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL

Costo de mantenimiento: La mayor parte de los aceros son susceptibles a la corrosión al estar expuestos al agua y al aire y, por consiguiente, deben pintarse periódicamente. Costo de la protección contra el fuego: Aunque algunos miembros estructurales son incombustibles, sus resistencias se reducen considerablemente durante los incendios.

PROBLEMAS ESPECIALES DE LAS ESTRUCTURAS METÁLICAS

El acero es usado desde épocas muy antiguas para la construcción, inicialmente solo decorativo y para herramientas pero con el transcurrir del tiempo el hombre fue trabajando este material y aleándolo con otros, lo fue adaptando según sus necesidades para usarlo cada vez más hasta la época del desarrollo industrial y las siderúrgicas que este material obtuvo su mayor auge en el mercado y en la actualidad existe gran variedad y diversidad de materiales constructivos de acero. Las estructuras de acero se caracterizan por su gran tenacidad, es decir, admite cualquier tipo de esfuerzo, y por su ductilidad, sin embargo, presenta patologías las cuales el ingeniero o constructor debe de tomar en cuenta y tratar de contrarrestar, debido a que el acero presenta debilidad ante el ataque químico ambiental presentando corrosión y deformidad. 28

MIEMBROS Y ESTRUCTURA Deformabilidad y dilatación térmica: Las estructuras metálicas presentan una mayor deformabilidad y dilatación térmica que las admisibles por estructuras de fábrica. Esto explica el hecho de que las primeras lesiones observables aparezcan primero en cerramientos y forjados, y no directamente en la estructura como cabría suponer. La deformabilidad y flexibilidad se expresan en: 

Exceso de flecha



Exceso de vibración



Pandeo de pilares o local de alas comprimidas

Corrosión La corrosión es un proceso que afecta al acero provocando una destrucción o deterioro de sus propiedades debido a una reacción química o por consecuencia de una corrosión electroquímica. Experimenta una aceleración en ambientes agresivos como los industriales o marinos. Provoca una disminución progresiva de la sección resistente de los elementos estructurales, llegando incluso a la perforación o rotura por abombamiento de los óxidos. Las zonas donde suele aparecer son: los apoyos, cerramientos exteriores y en forjados sanitarios. CONEXIONES Y ESTABILIDAD Fallo de las uniones Las uniones constituyen uno de los puntos más delicados a tener en cuenta en la estructura, tanto en el proyecto como durante el proceso de ejecución. Su objetivo es dotar de continuidad a un elemento estructural que no puede construirse de una sola pieza. Son esenciales para dotar de estabilidad y

29

seguridad a la estructura. Los defectos pueden ser según la tipología de la unión los siguientes: Roblonado y Atornillado: El problema más importante es la corrosión por aireación diferencial que puede surgir en los encuentros, causando una pérdida de sección útil en los roblones o tornillos. Hay que utilizar aceros de igual composición para evitar problemas de par galvánico. En las articulaciones habrá que emplear aceros de alta resistencia. Y de modo general, los elementos deben someterse a un control exhaustivo de calidad y de su colocación. Soldadura: Los procesos patológicos mecánicos son consecuencia de una sección de cálculo insuficiente o de una ejecución no uniforme. Las patologías químicas son causadas por incompatibilidad de aceros o con el material de aportación. Anclajes: Los procesos patológicos mecánicos conducen a aplastamiento y cizalladura del elemento traccionado, llegando a su rotura. Suele producirse un alargamiento diferido, que habrá que cuantificar en los primeros meses de puesta en funcionamiento. Los procesos de naturaleza química se deben a corrosión por aireación diferencial. ARMADURAS PASIVAS Soportan las tracciones presentes en la pieza de hormigón. Trabajan en conjunto con el hormigón constituyendo el material estructural “hormigón armado” debido a la adherencia hormigón armaduras y a que presentan un coeficiente de dilatación similar al del hormigón. Tipos De Armaduras Pasivas Son de acero sin pretensar y están constituidas por:

30

Barras Corrugadas Presentan en ensayo de adherencia por flexión UNE 36740:98 una tensión media de adherencia τbm y una tensión de rotura de adherencia τbu que cumplen simultáneamente las condiciones:

31

Designación y características mecánicas garantizadas:

-Mallas electrosadas

CLASIFICACIÓN DE ARMADURAS -Principales: 

Longitudinales----Refuerzan zonas comprimidas ----Absorben esfuerzos de tracción



Transversales----Evitan pandeo de barras comprimidas ----Aseguran posición de armaduras longitudinales ----Absorben esfuerzos cortantes y torsores.

-Secundarias: (Esfuerzos secundarios, mejorar fisuración, etc.) 

Montaje: Facilitan la organización de la ferralla.



De piel: Utilizadas en paredes de vigas de canto elevado.



Retracción y térmicos: Utilizadas en forjados y losas.



Reparto: Para repartir cargas importantes, cargas puntuales.

32

COLOCACIÓN DE ARMADURAS PASIVAS -Las armaduras pasivas se colocarán limpias (sin pintura, grasa, etc) -Se dispondrán sujetas entre sí de modo que su posición no varíe durante el transporte, el montaje o el hormigonado. -Disposición de separadores para garantizar los recubrimientos:

33

DISTANCIAS ENTRE BARRAS DE ARMADURAS PASIVAS

DISTANCIAS ENTRE BARRAS Y PARAMENTOS Son los recubrimientos que dependen del: Ambiente de exposición Tipo de elemento estructural Diámetro de la barra, etc.

34

ANCLAJE DE LAS ARMADURAS PASIVAS Objeto del anclaje: Asegurar la transmisión de esfuerzos al hormigón sin peligro. Muy importante porque fallo de anclaje ⇒ Fallo de la pieza

TIPOS DE ANCLAJE

-Posiciones de las barras respecto al hormigonado: a) Posición I de adherencia buena: 

Barras entre 45º y 90º.



Barras horizontales situadas en mitad inferior.



Barras horizontales a más de 30cm de cara superior. 35

b) Posición II de adherencia deficiente: Resto de barras. -Decalaje de la ley de momentos Para tener en cuenta el efecto de la fisuración oblicua debida al cortante, tomamos la envolvente de momentos flectores trasladada una magnitud igual a Sd≤z·cotgθ en el sentido más desfavorable.

-Ejemplo de anclaje en armaduras pasivas:

36

37

ARMADURAS ACTIVAS Se entiende por armaduras activas aquéllas mediante cuyo tensado se introducen tensiones previas en el hormigón. En el caso particular de los forjados pretensados, éstos se construyen casi sin excepción con armaduras pretensas, es decir, que se tensan con anterioridad al hormigonado y se anclan posteriormente al hormigón cuando éste ha alcanzado un cierto grado de endurecimiento. Las armaduras activas de uso habitual en forjados son las siguientes: 

Alambre

Es el producto de sección maciza, procedente de un estirado en frío o trefilado de alambrón. Normalmente se presenta en rollos. En general, los alambres se fabrican en tres tipos superficiales: alambres lisos, alambres ondulados y alambres grafilados. Estos dos últimos tipos se muestran en la figura 15 en sus modalidades más frecuentes. 

Torzal

Es el producto formado por dos o tres alambres enrollados helicoidalmente. 

Cordón

Es el producto formado por un cierto número de alambres del mismo diámetro arrollados helicoidalmente alrededor de un alambre central. Durante muchos años, se dudó en emplear cordones como armaduras pretensas, especialmente por sus condiciones de adherencia. El desarrollo de la prefabricación ha acabado imponiendo su uso por las ventajas tanto técnicas como económicas que representan. Su empleo en forjados queda naturalmente reducido a piezas de cierta magnitud, como es el caso de forjados especiales tales como losas, piezas de sección p, etc.

CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS DEL ACERO

Aunque es difícil establecer las propiedades mecánicas del acero debido a que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con 38

combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genéricas: 

Su densidad media es de 7850 kg/m³.



En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.



El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes de elementos aleantes. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de 1.510 °C en estado puro (sin alear), sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1.375 °C, y en general la temperatura necesaria para la fusión aumenta a medida que se aumenta el porcentaje de carbono y de otros aleantes. (excepto las aleaciones eutécticas que funden de golpe). Por otra parte el acero rápido funde a 1.650 °C.18



Su punto de ebullición es de alrededor de 3.000 °C.19



Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas.



Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres.



Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño.



Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de recibir un tratamiento térmico.



Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se deforman al sobrepasar su límite elástico.



La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los cuales quizá el más conocido sea el templado del acero, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial, conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas frágiles. Aceros típicos con un alto grado de dureza superficial son los que se emplean en las herramientas de mecanizado, denominados aceros rápidos que 39

contienen cantidades significativas de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Los ensayos tecnológicos para medir la dureza son Brinell, Vickers y Rockwell, entre otros. 

Se puede soldar con facilidad.



La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza por completo. Tradicionalmente los aceros se han venido protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos. Si bien existen aleaciones con resistencia a la corrosión mejorada como los aceros de construcción «corten» aptos para intemperie (en ciertos ambientes) o los aceros inoxidables.



Posee una alta conductividad eléctrica. Aunque depende de su composición es aproximadamente de20 3 · 106 S/m. En las líneas aéreas de alta tensión se utilizan con frecuencia conductores de aluminio con alma de acero proporcionando éste último la resistencia mecánica necesaria para incrementar los vanos entre la torres y optimizar el coste de la instalación.



Se utiliza para la fabricación de imanes permanentes artificiales, ya que una pieza de acero imantada no pierde su imantación si no se la calienta hasta cierta temperatura. La magnetización artificial se hace por contacto, inducción o mediante procedimientos eléctricos. En lo que respecta al acero inoxidable, al acero inoxidable ferrítico sí se le pega el imán, pero al acero inoxidable austenítico no se le pega el imán ya que la fase del hierro conocida como austenita no es atraída por los imanes. Los aceros inoxidables contienen principalmente níquel y cromo en porcentajes del orden del 10 % además de algunos aleantes en menor proporción.

Un aumento de la temperatura en un elemento de acero provoca un aumento en la longitud del mismo. Este aumento en la longitud puede valorarse por la expresión: δL = α δ t° L, siendo a el coeficiente de dilatación, que para el acero vale aproximadamente 1,2 · 10−5 (es decir α = 0,000012). Si existe libertad de 40

dilatación no se plantean grandes problemas subsidiarios, pero si esta dilatación está impedida en mayor o menor grado por el resto de los componentes de la estructura, aparecen esfuerzos complementarios que hay que tener en cuenta. El acero se dilata y se contrae según un coeficiente de dilatación similar al coeficiente de dilatación del hormigón, por lo que resulta muy útil su uso simultáneo en la construcción, formando un material compuesto que se denomina hormigón armado.21 El acero da una falsa sensación de seguridad al ser incombustible,

pero

sus

propiedades

mecánicas

fundamentales

se

ven

gravemente afectadas por las altas temperaturas que pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un incendio.

41

En esta tabla se recogen especificaciones correspondientes al límite elástico (fy) y resistencia a tracción (fu) para los distintos tipos de acero según se indican en la Instrucción de Acero Estructural (EAE) española.

42

• Aceros no aleados laminados en caliente:

Límite elástico mínimo y Resistencia a tracción (N/mm2) Espesor nominal de la pieza, t (mm) t ≤ 40

Tipo

40 < t ≤ 80

S 235

Límite elástico, fy 235

Resistencia a tracción, fu 360 < fu < 510

Límite elástico, fy 215

Resistencia a tracción, fu 360 < fu < 510

S 275

275

430 < fu < 580

255

410 < fu < 560

S 355

355

490 < fu < 680

335

470 < fu < 630

En los siguientes apartados se definen las características resistentes para los aceros con características especiales:

• Aceros soldables de grano fino, en la condición de normalizado:

Límite elástico mínimo y Resistencia a tracción (N/mm2) Espesor nominal de la pieza, t (mm) t ≤ 40

Tipo

40 < t ≤ 80

S 275 N/NL

Límite elástico, fy 275

Resistencia a tracción, fu 370 < fu < 510

Límite elástico, fy 255

Resistencia a tracción, fu 370 < fu < 510

S 355 N/NL

355

470 < fu < 630

335

470 < fu < 630

S 420 N/NL

420

520 < fu < 680

390

520 < fu < 680

S 460 N/NL

460

540 < fu < 720

430

540 < fu < 720

43

•

Aceros soldables mecánicamente:

de

grano

fino,

laminados

termo

Límite elástico mínimo y Resistencia a tracción (N/mm2) Espesor nominal de la pieza, t (mm) t ≤ 40

Tipo

40 < t ≤ 80

S 275 M/ML

Límite elástico, fy 275

Resistencia a tracción, fu 370 < fu < 530

Límite elástico, fy 255

Resistencia a tracción, fu 360 < fu < 520

S 355 M/ML

355

470 < fu < 630

335

450 < fu < 610

S 420 M/ML

420

520 < fu < 680

390

500 < fu < 660

S 460 M/ML

460

540 < fu < 720

430

530 < fu < 710

• Aceros con resistencia mejorada a la corrosión atmosférica:

Límite elástico mínimo y Resistencia a tracción (N/mm2) Espesor nominal de la pieza, t (mm) t ≤ 40

Tipo

40 < t ≤ 80

S 235 J0W

Límite elástico, fy 235

Resistencia a tracción, fu 360 < fu < 510

Límite elástico, fy 215

Resistencia a tracción, fu 360 < fu < 510

S 235 J2W

235

360 < fu < 510

215

360 < fu < 510

S 355 J0W

355

490 < fu < 680

335

470 < fu < 630

S 355 J2W

355

490 < fu < 680

335

470 < fu < 630

S 355 K2W

355

490 < fu < 680

335

470 < fu < 630

44

• Aceros de alto límite elástico, en la condición de templado y revenido:

Límite elástico mínimo y Resistencia a tracción (N/mm2) Espesor nominal de la pieza, t (mm) t ≤ 40

Tipo

40 < t ≤ 80

Límite elástico, fy

Resistencia a tracción, fu

Límite elástico, fy

Resistencia a tracción, fu

460

550 < fu < 720

440

550 < fu < 720

S 460 Q S 460 QL S 460 QL1 TENSIONES ADMISIBLES DEL ACERO

El método de diseño alternativo es un método que intenta lograr seguridad estructural y un comportamiento adecuado de la estructura bajo condiciones de servicio limitando las tensiones bajo cargas de servicio a ciertos valores especificados. Estas "tensiones admisibles" están dentro del rango de comportamiento elástico del hormigón en compresión y del acero en tracción (y compresión). Se asume que el hormigón se fisura y que por lo tanto no proporciona ninguna resistencia a la tracción. Las tensiones en el hormigón se representan mediante una distribución elástica lineal. El acero generalmente se transforma en un área de hormigón equivalente. El método de diseño alternativo es idéntico al "método de diseño por tensiones de trabajo" utilizado hasta 1963 para elementos solicitados a flexión sin carga axial. Los procedimientos para el diseño de elementos solicitados a compresión y flexión, diseño al corte y diseño para adherencia y anclaje de las armaduras siguen los procedimientos del método de diseño por resistencia del cuerpo principal del código, en el cual se aplican diferentes factores para reflejar el diseño bajo cargas de servicio.

45

El reemplazo del método de diseño por tensiones admisibles y el método de diseño alternativo por el método de diseño por resistencia se puede atribuir a diversos factores, entre los cuales se pueden mencionar: • El tratamiento uniforme de todos los tipos de cargas, lo que significa que todos los factores de carga son iguales a la unidad. No se considera la diferente variabilidad de los diferentes tipos de cargas (cargas permanentes y sobrecargas). • Se desconoce el factor de seguridad contra la falla (como se discute a continuación). • Los diseños típicamente son más conservadores y, para un mismo conjunto de momentos de diseño, generalmente requieren más armadura o mayores dimensiones que las requeridas por el método de diseño por resistencia. Se debe observar que en general los problemas de fisuración y flechas excesivas son menos probables en los elementos de hormigón armado que se diseñan en base a las tensiones de trabajo o el método de diseño alternativo que en aquellos que se diseñan usando métodos de resistencia cuando se utiliza armadura Grado 60. Esto se debe al hecho que con el diseño por resistencia y armadura Grado 60 las tensiones bajo cargas de servicio son considerablemente mayores que lo que serían si se utilizara el diseño por tensiones de trabajo. Esto significa que los anchos de las fisuras y la limitación de las flechas son aspectos más críticos en los elementos diseñados utilizando métodos de diseño por resistencia, ya que estos factores están directamente relacionados con las tensiones en la armadura.

COMPARACIÓN DEL DISEÑO POR TENSIONES DE TRABAJO CON EL DISEÑO POR RESISTENCIA Para ilustrar cómo varía el factor de seguridad del diseño por tensiones de trabajo respecto del método de diseño por resistencia, analizaremos una sección rectangular y una sección Te con las dimensiones indicadas en las Figuras 1 y 2, respectivamente. En ambos casos f'c = 4000 psi; fy = 60 ksi y la cantidad de armadura se hizo variar entre la armadura mínima de flexión de acuerdo con

46

10.5.1 y un máximo de 0,75ρb. Las resistencias a flexión se efectuan usando tres procedimientos: 1. Resistencia nominal a flexión, Mn, usando el diagrama rectangular de tensiones de 10.2.7. Los resultados se grafican en línea llena. 2. Resistencia nominal a flexión en base a las condiciones de equilibrio y compatibilidad. Los resultados se grafican con el símbolo "+". 3. Análisis por tensiones de trabajo usando relaciones tensión-deformación elástico-lineal para el hormigón y la armadura y las tensiones admisibles bajo cargas de servicio. Los resultados se grafican mediante las líneas discontinuas que representan Ms.

47

TENSIONES ADMISIBLES BAJO CARGAS DE SERVICIO Las tensiones en el hormigón bajo cargas de servicio no deben superar los siguientes valores: Flexión Tensión en la fibra comprimida extrema 'c 0, 45 f Aplastamiento En el área cargada 'c 0,3 f Las tensiones de tracción en la armadura bajo cargas de servicio no deben superar los siguientes valores: Armadura Grado 40 y 50 20.000 psi Armadura Grado 60 o superior, malla de alambre soldada 24.000 psi (De alambres lisos o conformados).

48

FLEXIÓN El diseño a flexión de los elementos se basa en las siguientes hipótesis: • Las deformaciones varían linealmente con la distancia al eje neutro. Para los elementos de gran altura se debe utilizar una distribución no lineal de las deformaciones • Bajo condiciones de carga de servicio, la relación tensión-deformación del hormigón comprimido es lineal mientras las tensiones son menores o iguales que la tensión admisible. • En los elementos de hormigón armado el hormigón no resiste tracción. • La relación de módulos, n = Es/Ec, se puede tomar igual al entero más próximo, pero nunca menor que 6. El código contiene requisitos adicionales para el hormigón liviano. • En los elementos con armadura de compresión, para calcular las tensiones se debe utilizar una relación de módulos efectiva igual a 2 Es/Ec para transformar la armadura de compresión. La tensión en la armadura comprimida debe ser menor o igual que la tensión de tracción admisible. Las siguientes ecuaciones se utilizan en el método de diseño alternativo para diseñar a flexión un elemento de sección transversal rectangular que solamente contiene armadura de tracción.

49

EL RELAJAMIENTO DEL ACERO La relajación del acero se produce cuando al acero de presfuerzo se mantiene en tensión, experimentando un reacomodo y rompimiento interno de partículas. Esta relajación debe tomarse en cuenta en el diseño ya que produce una pérdida significativa de la fuerza presforzante. Actualmente, la mayoría de los aceros son de baja relajación y son conocidos como Acero de Baja Relajación, y deben de preferirse sobre los otros para evitar pérdidas excesivas. El presforzado puede definirse en términos generales como el precargado de una estructura, antes de la aplicación de las cargas de diseño requeridas, hecho en forma tal que mejore su comportamiento general. Aunque los principios y las técnicas del presforzado se han aplicado a estructuras de muchos tipos y

50

materiales, la aplicación más común ha tenido lugar en el diseño del concreto estructural.

El acero es el material que soporta de forma activa los esfuerzos y momentos de las piezas terminadas con la finalidad de contrarrestar los mismo pero causados por las cargas a las que el elemento está sometido. Existen tres formas comunes de emplear el acero de presfuerzo: alambres, torón y varillas de acero de aleación. Cuando al acero del presfuerzo se le esfuerza hasta los niveles que son usuales durante el tensado inicial y al actuar las cargas de servicio, se presenta una propiedad que se conoce como relajamiento. El relajamiento se define como la pérdida de esfuerzo en un material esforzado mantenido con longitud constante. En los miembros de concreto presforzado, el flujo plástico y la contracción del concreto así como las fluctuaciones de las cargas aplicadas producen cambios en la longitud del tendón. Sin embargo, cuando se calcula la pérdida en el esfuerzo del acero debida al relajamiento, se puede considerar la longitud constante. El relajamiento continúa indefinidamente, aunque a una velocidad decreciente. Debe de tomarse en cuenta en el diseño ya que produce una pérdida significativa en la fuerza pretensora. La magnitud del relajamiento varía dependiendo del tipo y del grado del acero, pero los parámetros más significativos son el tiempo y la intensidad del esfuerzo inicial. El uso de acero de muy alta resistencia para el presfuerzo es necesario por razones físicas básicas. Las propiedades mecánicas de este acero tal como lo revelan las curvas de esfuerzo deformación, son algo diferentes de aquellas del acero convencional usado para el refuerzo del concreto. Adicionalmente a su alta resistencia, el proyectista debe tomar en cuenta las diferencias de ductilidad, 51

carencia de un punto de fluencia bien definido, y otras características de gran importancia técnica. Las varillas de refuerzo comunes usadas en estructuras no presforzadas, también desempeñan un papel importante dentro de la construcción presforzada. Se usan como refuerzo en el alma, refuerzo longitudinal suplementario, y para otros fines. El concreto empleado en miembros presforzados es normalmente de resistencia más alta que el de las estructuras no presforzadas. Las diferencias en el módulo de elasticidad, capacidad de deformación y resistencia deberán tomarse en cuenta en el diseño, y la característica de dependencia del tiempo asume una crucial importancia. El aumento de empleo de concretos ligeros en los años recientes ha permitido la reducción de las cargas muertas, lo cual es un hecho de especial importancia para las estructuras de concreto, y ha facilitado el manejo de grandes componentes estructurales precolados. Los avances en la tecnología del concreto han resultado en el desarrollo de concretos de agregados ligeros con resistencia comparables a las de materiales con densidad normal. Sus características dc deformación, inclusive los efectos que dependen del tiempo, deberán de comprenderse plenamente antes de ser usados con plena confianza. La razón para el fracaso de la mayoría de los primeros intentos en concreto preforzado fue la falla de emplear aceros con inadecuado nivel de esfuerzodeformación. Los cambios de longitud, función del tiempo, ocasionados por la contracción y el escurrimiento plástico del concreto, fueron de tal magnitud que eliminaron el presfuerzo en el acero. Cuando al acero del presfuerzo se le esfuerza hasta los niveles que son usuales durante el tensado inicial y al actuar las cargas de servicio, se presenta una propiedad que se conoce como relajamiento. El relajamiento se define como la pérdida de esfuerzo en un material esforzado mantenido con longitud constante. (El mismo fenómeno básico se conoce con el nombre de escurrimiento plástico cuando se define en términos de un cambio de longitud de un material que está sujeto a esfuerzo constante). En los miembros de concreto presforzado, el escurrimiento plástico y la contracción del 52

concreto así como las fluctuaciones de las cargas aplicadas producen cambios en la longitud del tendón. Sin embargo, cuando se calcula la pérdida en el esfuerzo del acero debida al relajamiento, se puede considerar la longitud constante. El relajamiento no es un fenómeno que ocurra en un corto periodo de tiempo. De la evidencia que se tiene disponible, resulta que continúa casi indefinidamente, aunque a una velocidad decreciente. Debe de tomarse en cuenta en el diseño ya que produce una pérdida significativa en la fuerza pretensora. La magnitud del relajamiento varía dependiendo del tipo y del grado del acero, pero los parámetros más significativos son el tiempo y la intensidad del esfuerzo inicial. ESPECIFICACIONES NACIONALES E INTERNACIONALES

El desarrollo tecnológico que ha alcanzado la producción de acero galvanizado, ha obligado a los fabricantes a homologar sus productos de acuerdo con las normas internacionales que se han establecido para los productos galvanizados. Las ventajas de la normalización de los procedimientos, y por consiguiente de las características del producto, permiten a los fabricantes garantizar la calidad en los procesos y productos para que estos se ajusten a las necesidades especificadas por el cliente en un pedido. En general, los productos hechos con estándares internacionales ofrecen importantes ventajas para el usuario como el estricto control de calidad en la producción, porque asegura una variación mínima en el producto final; asimismo, y gracias a la estandarización y a la producción en masa, casi todos los productos están siempre disponibles. Antes de adquirir láminas galvanizadas, es necesario que usted conozca las especificaciones nacionales e internacionales para dicho producto. Internacionalmente las normas americanas ASTM (American Society for Testing Materials) y las normas japonesas JIS (Japanese Industrial Society) son las más aceptadas comercialmente. No obstante, en Colombia contamos con las Normas Técnicas (NTC) desarrolladas por el ICONTEC (Instituto Colombiano de Normas Técnicas).

53

Hay muchos productos nuevos, además de los detallados anteriormente que incluyen lámina galvanizada en caliente y lámina microaleada, para los que no se han desarrollado aún normas internacionales. Estos productos son fabricados y comercializados de acuerdo con los estándares de los fabricantes. Las normas técnicas nacionales e internacionales estipulan los estándares a los cuales se deben ajustar los fabricantes para cumplir los requisitos de calidad. A medida que avanza la tecnología estas normas son revisadas y tales tolerancias van disminuyendo con el fin de exigir a los productores el cumplimiento de mejores estándares de calidad para el usuario. En la siguiente tabla, pueden verse las principales normas de producción que se aplican a los productos galvanizados.

En algunos casos, una norma técnica remite a otra que contiene información detallada, como es el caso de la ASTM 653 que tiene como documento de referencia la norma ASTM 924, estándar de especificaciones para láminas de acero con recubrimientos metálicos por procesos de inmersión en caliente. Los tres tipos de normas mencionados anteriormente especifican las tolerancias para las principales variables del acero galvanizado por proceso de inmersión en caliente; estas variables son: Composición química, peso del recubrimiento, dimensiones, empaque e identificación.

54

ESPECIFICACIONES DEL ACERO SEGÚN LA NORMA COVENIN 1753-06. DETALLADO DEL ACERO DE REFUERZO Diámetro De Dobleces – Acero De Refuerzo Los dobleces estándar se describen en función de su diámetro interior por ser más fácil de medir que el radio del doblez. Para establecer el diámetro mínimo del doblez se tomó en consideración un extenso estudio de los requisitos de la prueba de doblado de las normas ASTM. Además, estos diámetros mínimos de dobleces son factibles y satisfactorios para su uso general sin que se produzca rotura en el acero ni aplastamiento perjudicial en el concreto. Se requiere que el mandril para el doblado tenga dimensiones compatibles con los diámetros de dobleces. El acero de refuerzo es aquel que se coloca para absorber y resistir esfuerzos provocados por cargas y cambios volumétricos por temperatura y para quedar ahogado dentro de la masa del concreto. El acero de refuerzo es la varilla corrugada o lisa; además de los torones y cables utilizados para pretensados y postensados. Otros elementos que se utilizan como refuerzo para el concreto son las mallas electrosoldadas, castillos y cadenas electrosoldadas (armex), escalerillas, etc. Es por ello que en las barras, el diámetro interno de doblez de las barras de acero de refuerzo, longitudinal y transversal son los siguientes:

Diámetros Mínimos De Doblez Acero De Refuerzo Longitudinal DESIGNACIÓN DE LA BARRA

DIÁMETRO INTERNO MÍNIMO DE DOBLEZ

N° 3 a N° 8 ( 8M a 25M)

6 db

55

N° 9 a N° 11 (32M a 36M)

8 db

N° 14 y 18 (40M y 55M)

10 db

Diámetros Mínimos De Doblez Acero De Refuerzo Transveral

Designación de la barra

Diámetro interno mínimo de doblez

N° 3 a N° 5 (8M a 16M)

4 db

N° 6 a N° 8 (16M a 25M)

6 db

Para las secciones de las barras más comúnmente usadas como estribos y ligaduras, el diámetro mínimo de doblez de 4db se basa en prácticas aceptadas en la industria. El empleo de barras menores que la No. 5 para estribos y ligaduras, permitirá el doblado simultáneo mediante equipos estándar con ganchos a 135°. Las mallas de alambres electrosoldados, de alambre liso o con resaltes pueden utilizarse como estribos y ligaduras. El alambre en las intersecciones soldadas no tiene la misma ductilidad uniforme y capacidad de doblado que en las zonas que no fueron calentadas. Los efectos de la temperatura de soldadura generalmente se disipan a una distancia de aproximadamente cuatro veces el diámetro de alambre. Los diámetros mínimos de doblez permitidos son, en la mayoría de los casos, los mismos que los requeridos en las pruebas de doblado Venezolana y ASTM para alambre. Las mallas electrosoldadas, se componen de barras de acero negro o inoxidable, lisas o corrugadas, laminadas en frio, longitudinales y transversales, 56

que se cruzan en forma rectangular, estando las mismas soldadas en todas sus intersecciones. Gracias a su mayor resistencia, permite utilizar una menor cantidad de acero, cabe destacar que el diámetro mínimo interno usada en los amarres o ligaduras no sobrepasara

los 4db, en caso del alambre con un

diámetro mayor de 7mm y de 2 db con ello se busca mucho más resistencia entre las mismas.

La longitud de Los ganchos estándar puede referirse a:

Barras longitudinales: Un doblez de 180° incluyéndole una separación de 4db, pero no menor de 7cm equivalente a 65mm hasta el tramo libre de la barra, también un doblez de 90° se le agrega una separación de 12db hasta el final de la misma.

Estribos: Doblez de 135° más la separación de 10db en tramo libre de la barra, en elementos que no resisten acciones sísmicas, en el caso de que no se requieran los estribos por confinamiento, el doblez podrá ser de 90 ْ a 135° más la extensión de 6db. Y para el caso de los nodos de las estructuras con un nivel de diseño 1-2-3 los estribos y ligaduras deben tener en ambos lados longitudes con un doblez no menor de 135°, con una extensión de 6db pero no menor de 7.5 cm, que abarque el refuerzo longitudinal y se proyecte hacia el interior de la sección de la junta. Las longitudes de los estribos sucesivos debe abarcar la misma barra longitudinal lo cual deben estar alternados de inicio a final. Separación Del Acero De Refuerzo Los límites mínimos para la separación del acero de refuerzo se establecieron para permitir que el concreto pase fácilmente entre las barras y entre éstas y el encofrado, sin crear zonas con cangrejeras y evitar la concentración de barras en una línea, lo cual podría causar un agrietamiento por corte o retracción. El uso del diámetro nominal de la barra para definir la separación mínima, permite un criterio uniforme para todos los diámetros.

57

Estos límites de separación son útiles es cuanto a prevenir contra los paneles y asegurar que la mezcla de concreto húmedo pasa a través del acero de refuerzo sin separación. Debido a que el tamaño del agregado graduado del concreto

estructural frecuentemente contiene

agregado

grueso

de

3/4

en

equivalente 19 mm de diámetro, se necesita de una mínima separación de varilla permisible y de un mínimo recubrimiento de concreto requerido, para proteger al refuerzo de la corrosión y perdida de resistencia en caso de fuego. Algunos de los principales requisitos de la norma Covenin 1753-2006 son: En Las Barras: Debe existir un espacio libre entre barras paralelas de una capa no será menor de 2,5 cm. Dependiendo al tamaño del agregado.

Es por ello que en las barras paralelas se colocan en dos o más capas, las barras de las capas superiores serán colocadas en la misma vertical de las capas inferiores, con una separación libre entre las capas no menor de 2,5 cm. Y en juntas comprimidas, la separación libre entre barras longitudinales no será menor de 1.5db, equivalente a 4 cm.

En caso de losas muros y placas (con excepción de losas y placas nervadas), la longitud de separación para el soporte principal no será mayor de 3 veces el espesor del muro, la losa o placa ni mayor de 45 cm.

Grupos de barras: Los resultados en la práctica de los grupos de barras de diámetro estándar en las grandes vigas y en los ensayos de laboratorio sobre columnas con grupos de barras, condujeron a las disposiciones para el agrupamiento de las barras. Los grupos de barras deben atarse con alambre o sujetarse de alguna otra manera para asegurar que permanezcan en su posición. Se ha añadido la limitación de que las barras mayores de la No. 11 en vigas no deben

adosarse

formando

grupos,

puesto

que

esta

Norma

se

aplica

fundamentalmente a edificaciones. La colocación de las barras en contacto para que actúen como una sola unidad, tiene por objetivo evitar los grupos de más de dos barras en el mismo plano. Las formas típicas de grupos de tres barras son la 58

triangular o en forma de L. Como una precaución práctica, los grupos de barras en vigas no deben anclarse o doblarse como una sola unidad, es preferible escalonar los ganchos de las barras individuales dentro del grupo. El límite máximo de tres barras en un grupo no incluye la eventual barra adicional para solapes. Estas barras actúan como una viga o columna, entre ellas deben existir una separación de amarre de

135°, la cantidad de barras por grupo para una

edificación es de 4 con un nivel de diseño 1, también tendría como limitación a 2 en juntas con niveles de diseño 2-3 en caso de vigas no se usarán grupos de barras mayores de numero 11 equivalente a 32M. En las columnas las barras en conjunto estarán unidamente amarradas a la esquina de la junta que las intercepte. Las limitaciones de separación y recubrimiento de un grupo de barras serán las correspondientes al diámetro equivalente que se deduzca del área total de las barras colocadas en el paquete. En un grupo de barras el espesor más bajo a usar será igual al diámetro del área equivalente al grupo pero no es necesario que sea mayor que 5 cm, o bien, sea para el caso de concreto vaciado sobre el terreno y en contacto permanente con el mismo, cuyo recubrimiento mínimo será de 7.5 cm.

Recubrimiento Mínimo Del Acero De Refuerzo El recubrimiento para la protección del acero de refuerzo contra la intemperie y otros efectos, se mide desde la superficie del concreto hasta la superficie más próxima del acero para lo cual se aplican los requisitos de recubrimiento. Cuando se especifica un recubrimiento mínimo para un miembro estructural, éste debe medirse hasta el borde más saliente de estribos, ligaduras o hasta el borde de la capa externa de barras, si se emplea más de una capa de refuerzo sin estribos o ligaduras. El término “superficies de concreto expuestas a la intemperie” se refiere a exposiciones directas a cambios de temperatura y humedad. Las caras inferiores de losas, placas o cáscaras generalmente no se consideran directamente expuestas a menos que sean objeto de humedecimiento y secado alternados, incluyendo los debidos a las condiciones de condensación o

59

de filtraciones directas de la superficie expuesta al agua de lluvia o efectos similares, como se expone en la tabla:

Características del ambiente

DIÁMETRO DEL ACERO DE REFUERZO, db db ≤ N° 5 (16M) y alambres con db < 16 mm.

RECUBRIMIENTO MÍNIMO 1, cm -Vigas y columnas

- Losas y -Muros - Cáscaras y placas placas plegadas

1,5 4,0

Piezas al abrigo de la interperie

2,0

N° 6 a N° 11 (20M a 36M).

2,0 N° 14 y N° 18 (40M y mayor)

Piezas expuestas a la interperie en ambientes

4,0

db ≤ N° 5 (16M) y alambres con db < 16 mm.

4,0

no agresivos db > N° 6 (

5,0

20M) Piezas vaciadas sobre el terreno y permanentemente en contacto con el mismo

Todos los

7,5

diámetros

No Aplica

1-

Para grupos de barras véase la subsección 7.2.3.2

2-

Al recubrimiento mínimo de protección se sumará el diámetro del acero de refuerzo transversal y se designará cc, véase la ecuación (10-2).

NOTAS:

60

Es importante resaltar que en lugares corrosivos u otras condiciones de exposición muy expuestas, el recubrimiento de concreto debe aumentarse adecuadamente y tomar en consideración su fraguado e impermeabilidad o buscar de otras protecciones, todo material expuesto deben ser sumamente protegidos contra la corrosión ya que, esto evitaría daños en los mismos. Nota: En ambientes agresivos deben utilizarse recubrimientos mayores que los mencionados, los cuales dependen de las condiciones ya sea por razones estéticas la textura de la superficie de concreto implique en el fraguado del material, el mismo debe aumentarse a 1 cm. en las superficies afectadas. Detalles Especiales Para Columnas Son aquellas características que se toman en cuenta para la colocación y ejecución en una columna, teniendo en cuenta sus diámetros y su posición, es importante resaltar que a continuación se especifica detalladamente:

Doblado De Barras En Los Cambios De Sección Son aquellos ejes o barras que sobrepasan de un nivel a otro, en el que se produce un cambio de sección de una columna en el cual debe haber un doblez antes de su ejecución puesto que debe existir una pendiente menor 1.6 con respecto al eje. Siempre el acero colocado por encima o por debajo de la barra será paralelo a la dirección de la columna.

El soporte horizontal será diseñado

para resistir 1,5 veces la barra horizontal de la fuerza adquirida en la parte inclinada de la barra que se le dio el doblez.

Las abrazadera o mejor conocido como zunchos son colocados para resistir esta componente lo cual se posicionaran a no más de 15 cm del eje doblado. Este refuerzo es colocado adicionalmente al requerimiento por consiguiente de sismo resistente. Cuando se disminuya la anchura de una columna de manera que una de sus caras quede ubicado 7,5 cm o más de la correspondiente en la columna del piso inferior, no pueden empalmarse las barras longitudinales para su adaptación a la reducción y es necesario emplear barras adicionales de empalme. 61

Construcción Mixta Acero-Concreto La limitación de la transmisión efectiva de la carga de compresión a través de uniones a tope por contacto de perfiles de acero de un máximo de 50% tiene por objeto proporcionar alguna capacidad a la tracción en tales uniones puesto que el resto de las tensiones de compresión debe transmitirse por soldadura, espigas, placas de unión, etc. Esto debe asegurar que las uniones en las columnas mixtas cumplan con los requisitos de capacidad a atracción similares a las columnas de concreto reforzado. En las columnas mixtas la transmisión de la carga en los núcleos metálicos se realizará mediante a las siguientes disposiciones:  Los perfiles metálicos de las columnas mixtas deben terminarse con precisión en los extremos para que se trasmitan las cargas en las uniones, además deben adoptarse medidas adecuadas para que los perfiles queden alineados y de ese modo garantice el contacto concéntrico entre dos perfiles.  En las uniones a tope por contacto la transmisión de las tensiones se considerará efectiva hasta un 50% de la compresión total en el perfil metálico. Conexiones Y Nodos Una conexión son combinaciones de elementos estructurales y elementos de unión para transmitir fuerzas entre dos o más miembros. En conexiones y nodos El concreto debe confinarse para asegurar la efectividad de los empalmes del acero de refuerzo continuo y de los anclajes con el fin de mantener la integridad de las uniones de las vigas y columnas. El confinamiento del concreto externo puede hacerse con ligaduras y zunchos. En las cuales estos refuerzos deben cumplir una serie de requisitos:  Los zunchos se armaran de manera tal que su tamaño y rigidez permitan su manejo y colocación sin que sus dimensiones sean afectadas. Para el armado de estos deben sujetarse en posición con ayuda de amarres de alambre o de separadores verticales. 62

 Estos zunchos cumplirán con una separación libre no menor de 2,5 cm ni mayor de 7,5cm y debe anclarse por medio de una vuelta y media adicionales en cada extremo de la unidad helicoidal.  En columnas, la hélice debe extenderse hasta un nivel para el cual el diámetro de esta sea dos veces la anchura de la columna. Cabe señalar que los zunchos son refuerzos continuos enrollados de forma de hélice cilíndrica alrededor del refuerzo longitudinal o las ligaduras. Las ligaduras para miembros comprimidos también se ajustarán a las siguientes condiciones:  En

las

ligaduras

para

miembros

comprimidos

Todas

las

barras

longitudinales deben cercarse con ligaduras transversales de por lo menos No. 3 (10M) para barras longitudinales No. 10 (32M) o menos, por lo menos No. 4 (12M) para barras mayores del No. 11 (36M) inclusive y para los grupos de barras longitudinales.  En caso de estructuras con Nivel de Diseño ND1 de hasta dos pisos, se permite usar para ligaduras el alambre corrugado y la malla de alambres electrosoldados que tengan un área equivalente.  En las barras longitudinales la separación vertical no excederá menor de 16 diámetros de la barra longitudinal, 48 diámetros de la ligadura, o la menor dimensión de la columna.  Las ligaduras se dispondrán de tal forma que cada barra longitudinal alternada y cada barra esquinera tengan un soporte lateral proporcionado por el doblez de una ligadura que tenga un ángulo interno no mayor de 135° .Ninguna barra sin soporte lateral estará separada de la barra soportada lateralmente más de 15 cm libres medidos sobre la ligadura. Este requisito puede satisfacerse por medio de una ligadura continua (hélice) con un paso mayor que el permitido para los zunchos, siendo el paso máximo igual a la separación requerida para las ligaduras.  Las ligaduras en las columnas se debe prolongarse dentro del nodo.  Los pernos de anclajes dispuestos en las columnas o pedestales, deben estar rodeados de acero de refuerzo transversal que al menos contenga 63

cuatro de las barras longitudinales de la columna o pedestal. Este acero de refuerzo transversal consistirá de al menos dos barras N° 4 (12M) o tres barras N° 3 (10M), distribuidos dentro de los 15 cm. medidos desde el tope de la columna o pedestal. La Norma 1753-06 permite que los zunchos terminen en un nivel más bajo del refuerzo horizontal que penetra en las columnas. Sin embargo, cuando uno o más lados de la columna no están confinados por vigas o ménsulas, se requieren ligaduras desde el punto de terminación de los zunchos hasta la cara inferior de la losa o ábaco. Cuando las vigas o ménsulas confinan la columna en todos los lados pero son de diferente altura, las ligaduras deben colocarse desde el extremo del refuerzo helicoidal hasta el nivel del refuerzo horizontal de la viga o ménsula más baja que se empotre en la columna. Estas ligaduras adicionales son para mantener en posición el refuerzo longitudinal de la columna así como aquella parte del refuerzo de las vigas que se dobla en el interior de la columna para su anclaje y a la vez para confinar el concreto. Todas las barras longitudinales en compresión deben estar encerradas por ligaduras.

Cuando

las

barras

longitudinales

están

dispuestas

según

generatrices de un cilindro circular solamente se requieren ligaduras circulares, con la separación especificada. Este requisito puede satisfacerse por medio de una ligadura continua (hélice) con un paso mayor que el permitido para los zunchos.

REFUERZO TRANSVERSAL EN MIEMBROS SOLICITADOS A FLEXIÓN El refuerzo a compresión de las vigas estará cercado con ligaduras o estribos que satisfagan las limitaciones relativas al diámetro y separación de las barras o con una malla de alambre electrosoldado, de un área equivalente. Tales ligaduras o estribos deben emplearse en toda la longitud donde se requiera el refuerzo en compresión. Este articulo toma en cuenta el refuerzo transversal para miembros solicitados en flexión, solicitados a torsión en los

64

apoyos, que consistirán

en ligaduras cerradas y estribos cerrados que se

extienden alrededor del refuerzo principal.

REFUERZO POR RETRACCIÓN DE FRAGUADO Y VARIACIÓN DE TEMPERATURA El refuerzo por retracción de fraguado y variación de temperaturas se proporcionará un refuerzo de repartición perpendicular a la principal, Para contrarrestar las tensiones en losas estructurales armadas en una sola dirección. Cualquier acero de refuerzo transversal en miembros solicitados por tensiones reversibles o torsión en los apoyo debe tener forma cerrada. Además se requiere que

tal refuerzo

transversal arriostre

el refuerzo

principal para

limitar

adecuadamente el pandeo de las barras y la fisuración del concreto. La relación del área del acero de refuerzo con respecto al área de la sección total de concreto, debe tener como mínimo, uno de los valores dados en la Tabla siguiente, los cuales son aplicables cuando la losa puede expandirse o contraerse libremente, o cuando se admite que se presente fisuración sin ningún control especial, o cuando el control de fisuración es innecesario. Acero de refuerzo por retracción de fraguado y variación de temperatura

TIPO DE ACERO DE

CLASIFICACIONSEGÚN

REFUERZO

NORMA

CUANTÍA, ρ

COVENIN316:2000 S-40

0,0020

Barras con resaltes

S-60 ó W-60

0,0018

TIPO DE ACERO DE

Clasificación según

REFUERZO

norman covenin316:2000 65

CUANTÍA, ρ

Mallas de alambres lisos .o con resaltes

No aplica

electrosoldados Refuerzo con fy > 4200 kgf/cm2 medido a una

W-70

0,0015

deformación cedente de E

0,35% ste refuerzo se colocará con una separación máxima no mayor de cinco veces el espesor de la losa ni de 45 cm, la que sea menor. En todas las secciones donde se requiera, además, el refuerzo de retracción y temperatura debe estar anclado para desarrollar en tracción la resistencia cedente especificada fy. De otro modo, en las losas aligeradas el refuerzo para efectos de retracción y temperatura, debe tener las mismas cuantías especificadas en la Tabla anterior, con relación a las losetas superior e inferior, independientemente, si es colocado perpendicularmente a la dirección de las viguetas o nervios

REQUISITOS DE INTEGRIDAD ESTRUCTURAL Los requisitos mínimos de detallado y conexiones que deben cumplir los miembros a flexión en construcciones de concreto estructural, proyectadas con Diseño ND1 y vaciadas en obra con la finalidad de conseguir la integridad estructural que se requiera, para lo cual los diferentes miembros de la estructura deben estar adecuadamente vinculados entre sí. En el caso de losas reticuladas o nervadas, en los nervios al menos una barra inferior debe ser continua o debe empalmarse en el apoyo utilizando un empalme de solape en tracción Clase A o solape mecánico, o soldado; y cuando se trate del apoyo final debe terminar con un gancho estándar. Las vigas perimetrales deben tener acero de refuerzo continuo en toda la luz y el refuerzo superior debe ser continuo al menos 1/6 del refuerzo de tracción requerido para momentos negativos en el apoyo, pero no menos de dos barras y el refuerzo inferior continuo al menos 1/4 del refuerzo positivo requerido en el centro de las 66

luces, pero no menos de dos barras. La continuidad que se necesite puede darse en el refuerzo superior haciendo empalmes en los centros de las luces y en el refuerzo inferior empalmando en los apoyos o cerca de ellos. Estos empalmes deben ser solapes en tracción Clase A o empalmes mecánicos o soldados. Para vigas no perimetrales, en el caso de no disponer de estribos cerrados, al menos 1/4 del refuerzo positivo requerido en el centro de la luz debe ser continuo o empalmarse en los apoyos con solapes en tracción Clase A o empalmes mecánicos o soldados, y en los apoyos finales deben terminar en un gancho estándar. La continuidad requerida puede darse con refuerzo superior empalmado en los centros de las luces y con refuerzo inferior empalmado en los apoyos o cerca de ellos. El acero de continuidad en todas las vigas bien sean perimetrales o no, debe estar rodeado por estribos cerrados con ganchos doblados a no menos de 135° alrededor de las barras superiores de continuidad, cabe destacar que no se necesita extender estos estribos dentro de los nodos o apoyos. PRACTICAS CONSTRUCTIVAS Las prácticas constructivas detallan lo que tiene que ver con la limpieza, el doblado, la colocación y la soldadura en el acero de refuerzo. A la hora de realizar un vaciado de concreto, el acero utilizado como refuerzo o cualquier tipo de acero, así como placas utilizadas deben estar libres de barro, aceites u otros recubrimientos no metálicos que puedan afectar adversamente su capacidad de adherencia. Cuando el acero de refuerzo viene con escamas de fábrica o con óxidos, o en tal caso con una combinación de ambos, puede aceptarse únicamente cuando sus dimensiones mínimas, incluyendo la altura de los resaltes y el peso de muestra de prueba limpiada a mano con cepillo de alambre, no son menores de lo que requieren las especificaciones. Para el doblado del acero de refuerzo debe considerarse que todos los dobleces y ganchos deben hacerse en frio; se hará lo contrario únicamente si el Ingeniero Inspector lo autoriza. Para las barras que ya están parcialmente embebidas en el concreto endurecido, no se permite que se hagan dobleces o se 67

desdoblen a menos que sea indicado por los planos. Cuando se necesite hacer un cambio de sección en columnas, el doblado en las barras longitudinales debe ser realizado antes de ser colocadas en su posición. Para su colocación, el acero de refuerzo debe tener las dimensiones indicadas en los planos y en la forma en que estos lo indiquen debe ser colocado con precisión dentro de los encofrados, además debe apoyarse sobre soportes adecuados con la finalidad de evitar desplazamientos al colocar o vibrar el concreto dentro de las tolerancias permisibles que se describen a continuación: Altura útil ´´d´´

Tolerancias (mm) En altura útil

En recubrimiento

d≤ 20 cm

±10

-10

d> 20 cm

±15

-15

Cabe destacar que la tolerancia en el recubrimiento para las caras inferiores de los miembros será de menos 5 mm y en ningún caso el recubrimiento podrá quedar reducido en más de 1/3 del valor mínimo indicado en los planos o bien en las especificaciones de la estructura. La tolerancia longitudinal de las barras en sus extremos y dobleces será de ± 5 cm, salvo en los extremos discontinuos de las ménsulas y consolas, donde la tolerancia será de ± 1,5 cm y de ± 2,5 cm en los extremos discontinuos de los otros miembros, en los cuales también se tendrán en cuenta las tolerancias mínimas de recubrimiento especificadas en la tabla anterior. Para el caso de losas macizas cuya luz libre no exceda los 3 m podrá utilizarse una misma malla electro soldada con alambres de diámetros iguales o menores a 6 mm, como refuerzo negativo y positivo, siempre y cuando este refuerzo sea continuo a través de los apoyos o esté debidamente anclados en ellos. La malla podrá curvarse desde un punto situado sobre el apoyo y cerca del borde superior de la losa, hasta otro localizado en el centro de la luz y cerca de la cara inferior de la misma. La soldadura del acero de refuerzo debe cumplir con los siguientes requisitos: No se permite soldar al acero de refuerzo longitudinal requerido por diseño, estribos, ligaduras, insertos u otros elementos similares. 68

Los empalmes por soldadura realizados a temperatura ambiente en los aceros de refuerzo de calidad W que deban resistir las acciones sísmicas, no podrán quedar ubicados a una distancia menor o igual a dos veces la altura del miembro medida de la cara de la viga o columna ni estar ubicadas en secciones donde es probable que la cedencia del acero de refuerzo ocurra como resultado de las deformaciones inelásticas. Los puntos de cruce de las barras de refuerzo no deben soldarse a menos que el Ingeniero Estructural lo autorice.

69

CONCLUSION

La fabricación de hierro y acero implica una serie de procesos complejos, mediante los cuales, el mineral de hierro se extrae para producir productos de acero, empleando coque y piedra caliza. Los procesos de conversión siguen los siguientes pasos: producción de coque del carbón, y recuperación de los subproductos, preparación del mineral, producción de hierro, producción de acero, y fundición, laminación y acabado. Se pueden realizar estos pasos en una sola instalación, o en varios lugares completamente separados. En muchos países en desarrollo, es fabricado el acero de chatarra, en un horno de arco eléctrico. Una forma alternativa para producir el acero es la de la reducción directa, utilizando gas natural e hidrógeno. El producto de este proceso, hierro esponjoso, se convierte en acerco en un horno de arco eléctrico; luego se funden los lingotes, y para esto se producen los productos no planos con una o dos laminadoras. La industria de acero es una de las más importantes en los países desarrollados y los que están en vías de desarrollo. En los últimos, esta industria, a menudo, constituye la piedra angular de todo el sector industrial. Su impacto económico tiene gran importancia, como fuente de trabajo, y como proveedor de los productos básicos requeridos por muchas otras industrias: construcción, maquinaria y equipos, y fabricación de vehículos de transporte y ferrocarriles. Durante la fabricación de hierro y acero se producen grandes cantidades de aguas servidas y emisiones atmosféricas. Si no es manejada adecuadamente, puede causar mucha degradación de la tierra, del agua y del aire.

70

BIBLIOGRAFIA  Barreiro, J. “Fabricación de hierro, acero y fundiciones”. Urmo, S.A. de Ediciones, 1ª ed. edición (1978).  Abril, E. “Introducción a la metalurgia”. Edición Marymar.  Higgins, R. “Ingeniería Metalúrgica”. Tomos I y II. Editorial Continental S.A.  Weeks, J. “Metalurgia”. Editorial Reverté.  Pezzano, A. “Siderurgia”. Editorial Alsina.  Laceras, E. “Tecnología del Acero”. edit. Cedel.  Capello, E. “Tecnología de la fundición”. Editorial Gustavo Gili S.A.  Gerling, H. “Moldeo y conformación”. España, editorial Reverté S.A. 1979.  Niebel, B. “Ingeniería Industrial; Métodos, Tiempos y Movimientos” 1994.

71