ESTRUTURACIÓN DE EDIFICIOS EN MARCOS DE ACERO

ESTRUCTURACIÓN DE EDIFICIOS EN MARCOS DE ACERO

                                        NAVARRO GUIDO SARA LIZBETH

INTRODUCCIÓN

Para poder empezar a hablar de estructuración de edificios en marcos de acero primero me gustaría revisar un poco de conceptos acerca de este tema como: estructura, y marcos de acero.

Estructura:  Es un conjunto de piezas armadas y conectadas, que se destinan a soportar y transmitir  cargas temporales o definitivas, fabricadas con acero de calidad estructural o de alta resistencia.

Marcos de acero:  Es un conjunto de piezas armadas y conectadas, que se destinan a soportar y transmitir  cargas temporales o definitivas, fabricadas con acero de calidad estructural o de alta resistencia.

Las estructuras de acero tienen una gran demanda en el ámbito de la construcción ya que  es un material de gran resistencia, durabilidad, y reduce el tiempo de mano de obra reduciendo a su vez el costo.

Estas estructura deben su resistencia a su  empleo de acero.

Gracias a esto cuenta con grandes ventajas como  cubrir o librar grandes claros, y disminuir el uso de tantos apoyos.

Estas son piezas prefabricadas que hacen que el tiempo de montaje reduzcan, y sea de una mas fácil colocación.

El metal en la construcción precede al hormigón; estas construcciones poseían autonomía propia complementándose con materiales pétreos, cerámicos, cales, etc. Con la aparición del concreto, nace esta asociación con el metal dando lugar al hormigón armado.

Todas las estructuras metálicas requieren de cimentaciones de hormigón, y usualmente se ejecutan losas, forjados, en este material.

Actualmente el uso del acero se asocia a edificios con características singulares ya sea por su diseño como por la magnitud de luces a cubrir, de altura o en construcciones deportivas (estadios) o plantas industriales.

1.1 aplicación estructural de perfiles y conexiones metálicas

COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL

Estas estructuras cumplen  las mismas condiciones  que las estructuras de concreto, es decir, que deben estar diseñadas para resistir acciones verticales y horizontales.

En el caso de estructuras de nudos rígidos, situación no muy frecuente, las soluciones generales a fin de resistir las cargas horizontales, serán las mismas que para Estructuras de Hormigón Armado.

Pero si se trata de estructuras articuladas, tal el caso normal en estructuras metálicas, se hace necesario rigidizar la estructura a través de triangulaciones (llamadas cruces de San Andrés), o empleando pantallas adicionales de hormigón armado.

Las barras de las estructuras metálicas trabajan a diferentes esfuerzos de compresión y flexión; veamos:

-Piezas a Compresión

-Piezas a Flexión

PIEZAS A COMPRESIÓN

 Las piezas de compresión son los perfiles que cuyo momento de inercia en relación a los dos ejes principales , sean en lo posible similares, pues su capacidad resistente depende en gran medida del momento de inercia mínimo.

Los perfiles mas adecuados son los perfiles H para una pieza a compresión, deben emplearse perfiles simples en H o bien perfiles compuestos que se obtienen por la unión de otros perfiles simples, tratando siempre de que se logre a través una ejecución sencilla, y que los momentos de inercia sean lo más parecidos posible.

PIEZAS A FLEXIÓN

 En las Estructuras Metálicas, a fin de que una barra trabaje principalmente a esfuerzos de flexión, deben elegirse perfiles cuyo momento de inercia sea máximo para una misma cantidad de material.

 Los IPE y IPN, diseñados para absorber estos esfuerzos son los que mejor trabajan a flexión son los mas adecuados para vigas y aparte de que es de fácil montaje.

Existen estructuras en las cuales las piezas sometidas a flexión no se pueden resolver con perfilería en serie, por ello se recurre a perfiles compuestos, que son de alma llena y con secciones por lo general doble T y C.

•Las conexiones están formadas por las partes involucradas de los miembros que se conectan os elementos de conexión  los conectores.

Estos componentes deben ser dimensionados de manera que su resistencia iguale o exceda la determinada por el análisis estructural para las cargas actuantes en la estructura o una proporción especificada de la capacidad de los elementos conectados, la que sea adecuada.

Conexiones Simples

 Las conexiones de vigas o armaduras deben de diseñarse como flexibles para resistir solamente las reacciones de corte. Las conexiones flexibles de las vigas deben permitir los giros de ellas como simplemente apoyadas.
Para cumplir esto, se permite una deformación inelástica limitada.  

Los tipos de conexiones son:

1.Plato sencillo

2. Angulo sencillo

3. Asiento sin reforzar

4. Doble ángulo

5. Asiento reforzado

6. A través del plato

Conexiones de Momento

Las conexiones de vigas o armaduras restringidas en sus extremos, deben diseñarse para la acción combinada de fuerzas resultantes de la acción de cortantes y momentos inducidos por la rigidez de las conexiones.

Estas posibilidades son la siguientes:

1.Viga sobre columna para construcciones de una sola planta

2. Viga atraves de una columna

3. Plato de borde empalmado atraves de la columna

4. Plato de borde empalmado alrededor de la columna

5. conexiones directas de la viga a la columna.

SOLDADURAS REMACHES Y PERNOS

UNIONES Y CONEXIONES

Las estructuras metálicas se entienden por prefabricados, lo que significa que los diferentes elementos que componen una estructura deben ensamblarse o unirse de alguna manera que garantice el comportamiento de la estructura según fuera diseñada. 

La selección del tipo de conexiones debe tomar en consideración el comportamiento de la conexión, las limitaciones constructivas, la facilidad de fabricación, y aspectos de montaje.

Remaches en caliente o roblones

Para hacer este tipo de uniones, las planchas que se debían unir se perforaban en un régimen que se determinaba por cálculo, reforzando los empalmes y traslapes con planchas igualmente perforadas de acuerdo al mismo patrón.

 Muchas veces estas planchas adicionales llegaron a representar hasta el 20% del peso total de la estructura.

 Los roblones o remaches tienen una cabeza ya preformada en forma redondeada y se colocan precalentados a una temperatura de aprox. 1.200ºC, pasándolos por las perforaciones y remachando la cara opuesta hasta conformar la segunda cabeza. 

 Al enfriarse, su caña sufrirá una contracción que ejercerá una fuerte presión sobre los elementos que se están uniendo. Este sistema de conexión funciona por la enorme dilatación térmica del acero que permite que, aún elementos relativamente cortos como los roblones, se contraigan significativamente al enfriarse desde los 1.200ºC hasta la temperatura ambiente. 

Soldadura

La soldadura es la forma más común de conexión del acero estructural y consiste en unir dos piezas de acero mediante la fusión superficial de las caras a unir en presencia de calor y con o sin aporte de material agregado. Cuando se trabaja a bajas temperaturas y con aporte de un material distinto al de las partes que se están uniendo, como por ejemplo el estaño, se habla de soldadura blanca, que es utilizada en el caso de la hojalatería, pero no tiene aplicación en la confección de estructuras.

Cuando el material de aporte es el mismo o similar al material de los elementos que se deben unir conservando la continuidad del material y sus propiedades mecánicas y químicas el calor debe alcanzar a fundir las caras expuestas a la unión. De esta forma se pueden lograr soldaduras de mayor resistencia capaces de absorber los esfuerzos que con frecuencia se presentan en los nudos. Las ventajas de las conexiones soldadas son lograr una mayor rigidez en las conexiones, eventuales menores costos por reducción de perforaciones, menor cantidad de acero para materializarlas logrando una mayor limpieza y acabado en las estructuras.

Sin embargo, tienen algunas limitaciones importantes que se relacionan con la posibilidad real de ejecutarlas e inspeccionarlas correctamente en obra lo que debe ser evaluado en su momento (condiciones ergonométricas del trabajo del soldador, condiciones de clima, etc.) Hoy en día, una tendencia ampliamente recomendada es concentrar las uniones soldadas en trabajos en el taller y hacer conexiones apernadas en obra.

Los tipos de conexiones de perfiles y planchas por soldadura son las siguientes: 

Por su parte, los tipos de soldaduras que se pueden practicar se detallan en el siguiente esquema:

A su vez, hay diferentes formas de practicar los biseles en los perfiles o planchas a soldar:

Entre los variados tipos de soldadura se pueden mencionar:

Soldadura Oxiacetilénica, en que la temperatura se logra encendiendo una mezcla de gases de oxígeno y acetileno en el soplete capaz de fundir los bordes de las planchas a unir a la que se le agrega el material de aporte proveniente de una varilla con la que se rellena el borde a soldar. El principio de la soldadura con mezcla de oxígeno y acetileno se emplea también en el corte de planchas.

Soldadura al Arco, los procesos más utilizados hoy son la soldadura por arco eléctrico en que se genera un arco voltaico entre la pieza a soldar y la varilla del electrodo que maneja el operador que produce temperaturas de hasta 3.000ºC. Los materiales que revisten el electrodo se funden con retardo, generando una protección gaseosa y neutra en torno al arco eléctrico, evitando la oxidación del material fundido a tan alta temperatura. Este proceso puede ser manual, con electrodo revestido o automática con arco sumergido.

Soldadura por Electrodo Manual Revestido (Stick Metal Arc Welding)

Consiste en un alambre de acero, consumible, cubierto con un revestimiento que se funde bajo la acción del arco eléctrico generado entre su extremo libre y la pieza a ser soldada. El alambre soldado constituye el metal de relleno, que llena el vacío entre las partes, soldándolas.

Soldadura por arco sumergido (Submerged Arc Welding)

Para la soldadura de arco sumergido se emplea un equipo compuesto de un alambre de acero desnudo, asociado a un dispositivo inyector de fundente. Al generarse el arco eléctrico, el alambre se funde soldando las partes y el fundente es depositado sobre la soldadura, protegiéndola.

El proceso de arco sumergido, es un proceso industrial que al ser automático le confiere mayor calidad a la soldadura.

La soldadura por resistencia se logra generando el arco voltaico entre dos electrodos que están presionando las planchas a unir, el que encuentra una resistencia en las planchas generando una alta temperatura que las funde y las une. Se emplea principalmente en la unión de planchas superpuestas como soldadura de punto. También se aplica entre electrodos en forma de rodillos generando una soldadura de costura.

En el cálculo de las estructuras, la resistencia de las uniones está dada por la longitud de la soldadura en el sentido longitudinal de los elementos traccionados o comprimidos. Cada unión deberá tener determinada cantidad de centímetros lineales de soldadura. Sin embargo, esta situación es, frecuentemente, imposible de lograr, especialmente si se está trabajando con perfiles de menor tamaño. Para suplir esta dificultad se agregan planchas en las uniones llamadas “gousset”, cuyo único objeto es permitir conexiones entre elementos a unir y lograr el largo de soldadura requerido para el nudo.

La soldadura es una operación que requiere un trabajo delicado, realizado por un operario calificado. Una soldadura mal realizada puede quedar porosa y frágil y expone a la totalidad de la estructura a un desempeño diferente al que ha sido diseñado con el consecuente riesgo de colapso. En muchos países la calificación de los soldadores se hace ante instituciones certificadoras y debe revalidarse cada cierta cantidad de años.

Conexiones apernadas

Otra forma frecuente de materializar uniones entre elementos de una estructura metálica es mediante pernos. Hoy, el desarrollo de la tecnología ha permitido fabricar pernos de alta resistencia, por lo que estas uniones logran excelentes resultados.

Tornillos

Los tornillos son conexiones rápidas utilizadas en estructuras de acero livianas, para fijar chapas o para perfiles conformados de bajo espesor (steel framing). Las fuerzas que transfieren este tipo de conexiones son comparativamente bajas, por lo que normalmente se tienen que insertar una cantidad mayor de tornillos. 

Diseño de Uniones

Un aspecto importante en el diseño de uniones y conexiones es la determinación, que se debe hacer en la etapa de proyecto de estructura, del tipo de conexión que se diseña: si es rígida o articulada (flexible). Se llaman conexiones rígidas aquellas que conservan el ángulo de los ejes entre las barras que se están conectando, en tanto serán articuladas o flexibles, aquellas que permitan una rotación entre los elementos conectados (aunque en la realidad no existan conexiones 100% rígidas ni 100% flexibles). Ambas se pueden ejecutar por soldadura o apernadas, pero será determinante el diseño, el uso de elementos complementarios (ángulos, barras de conexión, nervaduras de refuerzo, etc.), las posición de los elementos de conexión y las holguras y/o los elementos que permitan la rotación relativa de un elemento respecto del otro.

Protección contra intemperie e incendio

Sistemas de protección

– Activos

• Sistemas automáticos de rociadores.

• Detectores de humo y fuego y sistemas de alarma.

• Sistemas de suministro de agua, extintores.

• Personal entrenado.

– Pasivos

• Limitaciones en las características de combustión de

los materiales empleados

• Compartimentación. (Barreras humo y fuego)

• Materiales de protección estructural.

ACERO

• Aumento de la construcción en acero

• Ventajas

– Menor peso de las estructuras.

– Flexibilidad de las estructuras.

– Mayor rapidez de la construcción.

– Otras posibilidades de diseño arquitectónico.

Desventaja

– El acero disminuye sus propiedades mecánicas

con la temperatura.

 

Protección del Acero

• Diseño Prescriptivo.

• Diseño basado en la Performance

DISEÑO PRESCRIPTIVO

• Sólo nos garantiza un tiempo determinado

de protección:

F15 - F30 - F60 - F90 - F120 - F150 - F180 - F240

           • DISTINTOS NIVELES

– Curva normalizada + cálculo CFD.

– Curva parametrizada asimilable.

– Curva parametrizada + cálculo CFD.

– Curva parametrizada + cálculo exhaustivo

CFD.

PROTECCIÓN

• Debemos proteger nuestra estructura de

acuerdo a los requerimientos.

SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS

• Diseño, exponer parcialmente.

• Pintura Intumescente

• Proyección de materiales livianos

• Encajonamiento

• Estuco con hormigón

MASIVIDAD

• Concepto FUNDAMENTAL en la

protección de estructuras de acero contra el

fuego

• Es un parámetro que sirve para discriminar

entre distintos perfiles de acero. 

¿QUÉ ES LA MASIVIDAD?

• La Masividad es la relación que existe entre

el perímetro expuesto al fuego del perfil y

su sección transversal

¿CÓMO SE DEFINE?

Masividad = Perímetro expuesto

Área del perfil

MASIVIDAD

• A menor masividad, mayor resistencia al

fuego

• A menor perímetro expuesto al fuego,

mayor resistencia al fuego

• A mayor masa del perfil o mayor sección

transversal del perfil, mayor resistencia al

Fuego.

MASIVIDAD

• Cualquier espesor de protección contra el

fuego que determinemos, siempre estará

asociado a un valor de masividad.

HORMIGÓN

• Estuco de hormigón

• Es necesario colocar una malla reticulada

ACMA antes de estucar el elemento.

• Se utilizan espesores del orden de 5cm. Para

lograr resistencias F120 en masividades

cercanas a 200.

• Alto costo

• Mucho tiempo en su aplicación.

ENCAJONAMIENTOS

• Planchas de Yeso-cartón RF

• Planchas de Fibrosilicato

• Paneles de aislantes de alta densidad como

la lana mineral.

ENCAJONAMIENTOS

• Se logran resistencias hasta F120

• Tienen una terminación estéticamente

buena.

• Su aplicación es muy limpia.

• Requieren poca mantención.

• No es de fácil instalación, debido al corte de

las planchas y los obstáculos presentes.

MATERIALES PROYECTADOS

• Morteros livianos en base a fibra mineral de

gran aislación.

• Distintas clases de productos (mucha

variedad)

• Son proyectados mediante bombas

• Algunos productos necesitan agua para la

proyección.