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CONSTRUCCIONES EN ACERO

Universidad San Ignacio de Loyola Facultad de Arquitectura, Urbanismo y Territorio.

Lima, Perú

RESUMEN. El acero es uno de los materiales de fabricación y construcción más versátiles y adaptables en sector constructivo. Es un material de refuerzo en las construcciones debido a la buena capacidad de soportar esfuerzos de tracción y buena ductilidad. Tiene adaptación mundial gracias a su ductilidad, por la capacidad para doblarse y torcerse; a su alta resistencia mecánica, ya que resiste esfuerzos de tracción y comprensión; a su soldabilidad, ya que se puede unir por medio de soldaduras; a su trabajabilidad, ya que se puede cortar y moldear de la forma deseada. Por ello, se realiza este trabajo para dar a conocer información sobre los avances tecnológicos en cuanto al material, sus componentes y características constructivas, y su importancia en el sector inmobiliario.

ABSTRACT. Steel is one of the manufacturing materials and more versatile and adaptable in building construction sector. Is a reinforcing material in construction because good ability to withstand tensile and good ductility. By global adaptation has ductility, the ability to bend and twist; to their high mechanical strength because it resists tensile and understanding; to weld ability as may be attached by welding; its workability since it can be cut and shaped as desired. Therefore, this work is done to publicize information on technological advances in material, components and construction features, and its importance in real.

PALABRAS CLAVES. Estructuras en acero, estructura, construcción, edificaciones.

A. INTRODUCCIONEl acero es una aleación o combinación de hierro y carbono, se aplica en la fabricación de herramientas, maquinarias, construcción, etc. El acero es un material muy versátil y adaptable lo cual se demuestra en su relativa facilidad de conformación tanto en caliente como en frío, su idoneidad para ser usado en aplicaciones donde se requiera soldadura.

- Acero estructural: Se emplean para diversas maquinas, tales como engranajes, ejes y palancas. El contenido de la aleación varía desde 0.25%.

- Acero para herramientas: Son de alta calidad que se emplean en herramientas para cortar y modelar metales y no metales, como taladros, escariadores, fresas, terrajas, etc.

- Acero especial: Son aceros inoxidables, de gran dureza alta resistencia a temperaturas y a la corrosión, empleados para turbinas

de vapor, engranajes, ejes, y rodamientos.

- Acero de refuerzo: El acero para reforzar concreto se utiliza en distintas formas; la más común es la barra o varilla. Se producen en barras de 9 metros de longitud en los siguientes diámetros: 6 mm, 8 mm, 3/8", 12 mm, 1/2", 5/8", 3/4", 1" y 1 3/8". Tipos de refuerzos:

Refuerzo corrugado: Trabaja como refuerzo en vigas y columnas

Refuerzo liso: En construcción de concreto armado, trabaja como estribos en columnas y vigas y como refuerzo de contracción y temperatura.

Tendones de presfuerzo: Se usa para amarres de fierro corrugado en todo tipo de estructuras.

USIL – Universidad San Ignacio de Loyola

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B. PROPIEDADES MECANICAS DEL ACEROEl acero cuenta con algunas propiedades ricas para la construcción tales como:

- Tenacidad: Resistencia al impacto.- Ductilidad: Con el aumento de la

temperatura provoca un aumento en la longitud del mismo.

- Maleable: Permite extenderse en planchas o laminas.

- Resistencia al desgaste: Erosiona cuando está en contacto con otro material.

- Maquinabilidad: Permite el proceso de mecanizado.

- Dureza: Resistente frente a su penetración.

- Conductividad eléctrica: Permite el paso de la corriente a través de sí.

- Límite de fluencia: Es la tensión a partir de la cual el material pasa a sufrir deformaciones permanentes.

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.

Imagen 1

Fuente: Instituto de la siderurgia

C. ESPECIFICACIONES TECNICAS- Se producen en barras de 9 metros de

longitud en los siguientes diámetros: 6 mm, 8 mm, 3/8", 12 mm, 1/2", 5/8", 3/4", 1" y 1 3/8".

Cuadro 1:

Fuente: Manual sobre la construcción con acero de Ensidesa.

- Propiedades mecánicas, resistencia a la tracción, límite de fluencia, designación de barras.

Cuadro2:


- Características mecánicas mínimas de los aceros.

Cuadro 3:


D. NORMAS PERUANASLas normas suelen tener una fuerza legal para asegurar la seguridad del público, estableciendo requisitos mínimos que deben cumplir las estructuras, el material, los refuerzos y el diseño. Los documentos existentes son:

- Norma Peruana del RNE E.0.90, donde se puede encontrar información sobre detalles, notaciones, definiciones, requisitos generales, etc.


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- Especificaciones ASTM A703 de la norma técnica peruana.

E. DIAGRAMA DE TENSION Y DEFORMACION DEL ACERO

Imagen 2

Fuente: Ingemecánica

El diagrama tensión-deformación resulta de la representación gráfica del ensayo de tracción, normalizado en UNE-EN 10002-1, y que consiste en someter a una probeta de acero normalizada a un esfuerzo creciente de tracción según su eje hasta la rotura de la misma. El ensayo de tracción permite el cálculo de diversas propiedades mecánicas del acero.

La probeta de acero empleada en el ensayo consiste en una pieza cilíndrica cuyas dimensiones guardan la siguiente relación de proporcionalidad: L0= 5.65 x √S0

Imagen 3


El ensayo comienza aplicando gradualmente la fuerza de tracción a la probeta, lo cual provoca que el recorrido inicial en la gráfica discurra por la línea

recta que une el origen de coordenadas con el punto A.

F. LIMITE ELASTICO Y RESISTENCIA A LA TRACCIÓN.

La determinación de las propiedades mecánicas en el acero, como el límite elástico (fy), la resistencia a tracción (fu), así como de otras características mecánicas del acero como el Módulo de Elasticidad (E), o el alargamiento máximo que se produce en la rotura, se efectuará mediante el anteriormente definido ensayo de tracción normalizado en la UNE-EN 10002-1.

Imagen 4


Aceros no aleados laminados en caliente.

Imagen 4


Aceros de alto limite elástico.


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Imagen 5


G. MODULO DE ELASTICIDAD LONGITUDINAL O MODULO DE YOUNGEl Módulo de Elasticidad para el cálculo y diseño de estructuras de acero en el rango elástico, toma convencionalmente el siguiente valor:

E= 210.000 N/mm2

Imagen 6: Modulo de elasticidad para otros metales


H. MODULO DE ELASTICIDAD TRANSVERSALEl módulo de elasticidad transversal, para la mayoría de los materiales, y en concreto para los materiales isótropos, guarda una relación fija con el módulo de elasticidad longitudinal y el coeficiente de Poisson, según la siguiente expresión:

G =

E

2 · ( 1 + ν )

En la siguiente tabla se indica los valores para el Módulo de elasticidad transversal, G, para distintos materiales:

Imagen 7: Modulo de elasticidad transversal para otros metales


I. TENACIDAD A LA FRACTURALa tenacidad a la fractura del acero define su capacidad a soportar cualquier solicitación exterior sin que se origine ningún tipo de fractura en el interior del material. Este es un concepto aparte de la tensión de rotura del material, y ello es así porque, en ocasiones, la fractura se puede producir con la aplicación de esfuerzos menores que los que marquen la tensión de rotura del material, o incluso menores que su límite elástico. Y ello es debido porque interiormente el material puede contener pequeñas grietas o defectos que son el germen del inicio de la fractura.

Imagen 8: Tenacidad a la fractura


f = coeficiente adimensional o factor geométrico, que depende de la fuerza aplicada y la geometría de la pieza;σ = es el valor de la tensión normal aplicada;a = es el tamaño del defecto. Si el defecto es superficial representa la longitud total de la grieta, mientras que si la grieta es interior, representa la mitad de su longitud.

J. SOLDABILIDADLa soldabilidad mide la capacidad de un acero que tiene a ser soldado, y que va a depender tanto de las características del metal base, como del material de aporte empleado.


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Imagen 9: Soldabilidad


K. SISTEMA ESTRUCTURAL

Aquí algunos elementos estructurales, que componen una construcción en acero:

- Arriostres: Son elementos en diagonal, formando triángulos en la estructura. Los arriostres, trabajan a carga axial de tensión o de comprensión, evitando el ladeo de la estructura. Los perfiles más apropiados para formar los arriostres son perfiles W, S, C y angulares.

- Columnas y vigas: Las columnas son elementos que trabajan principalmente a carga axial de comprensión o esta combinada con flexión. Es importante determinar las conexiones de extremo, excentricidades de carga, y en casos de columnas altas la esbeltez, que juega un papel importante en el desempeño del elemento.

Este tipo de elemento puede formarse con los perfiles W, S y C. Mientras que las vigas son elementos horizontales, en algunos casos inclinados e incluso pueden ser verticales, cuya función es transmitir que producen principalmente flexión. Los perfiles más apropiados para formar las vigas son perfiles W, S y C.

- Miembro a tensión: Se encuentran sometidos únicamente a carga axial de tensión. Los perfiles usados son W, S, C, angulares y barras. Es común encontrarlos en armaduras, sistemas

de arriostres y en miembros utilizados como tirantes.

L. REFERENCIAS NACIONALES, VIVIENDA COLECTIVA 1.El Proyecto “V.C.1″ nace como solución al conjunto dinámico de 2 factores fundamentales en el encargo-respuesta de la vivienda social contemporánea:

- Viviendas de rápida ejecución, buen presupuesto y de calidad garantizada en el tiempo.

- Viviendas que asuman la coordenada ética medio ambiente.

Este proyecto plantea que un excelente modo de solución eficaz a la problemática de la falta de viviendas de rápida ejecución.

Imagen 10: Vivienda colectiva 1

Fuente: Estructuras de acero, Slideshare

- Estructura de unidad de vivienda: 3 contenedores de 20 Pies.

- Aislación térmica y acústica: Poliestireno Expandido en Cielo, Pisos y Muros + Cámara de Aire.Forro interior: Placa Yeso Cartón.

- Tabiques interiores: Placa Estructural OSB + Poliestireno Expandido + Placa Estructural OSB.

- Cielo: Placa Yeso Cartón.- Piso: Terciado.- Revestimiento exterior: pintura de

diferentes colores.- Todas las soluciones están

Certificadas por MINVU- Superficie Proyectada por Casa: 42

metros cuadrados.


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- Superficie Proyectada para Ampliación por Casa: 14 metros cuadrados.

- Superficie Total Contemplada por Casa: 56 metros cuadrados.



- Anclaje a cimentación, unión de vigueta y columna.





- Conexión de columna y vigueta de acero, con separación de los tornillos, las placas y los perfiles.



- Tornillos y tuercas, provisto de una cabeza en un extremo del vástago en el que se ha recordado o enrollado una rosca.





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M. REFERENCUAS INTERNACIONALES, ESTADIO OLIMPICO DE PEKIN.

Conocido popularmente como “Nido de pájaro” por las piezas de metal retorcidas que conforman su estructura arquitectónica. Ubicado al norte de la ciudad

Ficha TécnicaUbicación Pekín, China

Arquitectos Herzog & MeuronConstruido 2008

Área de la tierra 258.000m2

Área construida 204.000m2

Estructura:- El material predomínate es el acero del

cual esta constituidas las diversas ramitas del nido.

Imagen 16: Estructura de acero, estadio olímpico de Pekín.

Fuente: ARQHYS

- El acero utilizado en su construcción llego a 110.000 toneladas en total.


Fuente: ARQHYS

- La función estructural de los elementos de metal que, encontrándose y entrelazándose, se sustentan recíprocamente.

- El cuerpo principal del estadio está compuesto por 24 columnas radialmente, cada columna es diferente a la anterior en rodo sentido.

Imagen 18: Columnas radiales, estadio olímpico de Pekín.

Fuente: ARQHYS

Imagen 19: Columnas radiales, estadio olímpico de Pekín.

Fuente: Elaboración propia.

- Los elementos estructurales que soportan cada uno van formando ramitas entrelazadas justo como un nido de pájaro.


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Fuente: ARQHYS

- La estructura de acero tuvo que ser soportada por 176 gatos hidráulicos durante su construcción mientras la estructura no era capaz de auto sostenerse.


Fuente: ARQHYS

- Cada gato era capaz de sostener 300 toneladas cada uno con una precisión de un milímetro. Más tarde los gatos hidráulicos fueron retirados a la vez para comprobar la estabilidad de la estructura del propio estadio.


Fuente: ARQHYS

- La zona interior está compuesta por PTTFE que garantizan un perfecto aislamiento acústico, y protege a los espectadores contra vientos y lluvia.


Fuente: ARQHYS

N. MODO DE APLICACIÓN- Armaduras: Una armadura está

conformada por un grupo de miembro, también llamados barras, que forma uno o más triángulos, en un solo plano y están dispuestos de manera que las cargas externas se aplican en lis nudos o juntas y teóricamente solo producen tensión o comprensión axiales en los miembros.

Imagen 24


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Fuente: Diseño de estructuras de acero

- Marcos rígidos y arriostrados: Constan de vigas y columnas con uniones rígidas capaces de trasmitir momento flector. Las fuerzas verticales y horizontales son resistidas por acción de marco, en la cual las vigas y columnas trabajan a flexión o a flexo comprensión. La unión viga – columna puede estar hecha por medio de soldadura o pueden ser uniones pernadas, remachadas o una combinación de soldadura y pernos. Este tipo de marcos puede ser de uno o varios pisos.

Macros arriostrados al igual que los marcos rígidos, los marcos arriostrados están formados por vigas y columnas, teniendo adicionalmente elementos en diagonal formando triángulos en la estructura. Los nudos pueden ser articulados. Los arriostres, miembros diagonales, trabajan a carga axial de tensión o de comprensión, evitando el ladeo de la estructura.

Imagen 25


- Entrepiso: Están formados con un sistema de vigas de carga apoyadas sobre columnas, paredes, armaduras, etc.

Imagen 26


O. CONCLUSIONES

- El acero estructural a pesar de su elevado costo, es el material ideal para construcción, se puede decir que especialmente para zonas sísmicas

- Posee propiedades como la alta resistencia, la ductilidad, la tenacidad, la resistencia, la durabilidad y la soldabilidad.

- La construcción con acero pesa considerablemente menos que una estructura de concreto.

- Tiene mayor versatilidad arquitectónica, ya que genera mayores espacios rentables, flexibilidad en el diseño y características estéticas especiales.

- Posee gran eficiencia constructiva, ya que generalmente se realiza en un taller de fabricación y un porcentaje menor en el trabajo directamente de campo.

- Nos brinda una mayor rapidez construictiva.


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BIBLIOGRAFIA

Referencia de artículos de revistas y periódicos1. Heino Engel (1997) “Sistemas de estructura”. EDT Gustavo Gili S.A, P.56.

Barcelona, España.

2. Revista Tectónica 9 (1999) “Acero I”. EDT ATC Ediciones, P.105. Barcelona, España.

3. Reglamento Nacional de edificaciones (2013) “E.0.90 Acero”. Lima, Perú.

4. Manual AHMSA para construcción en acero. EDT Altos hornos de México S.A. México.

Referencias electrónicas:- Estadio Olímpico de Pekín. [en línea]. Recuperado el 19 de Febrero de 2015 de

http://es.wikiarquitectura.com/index.php/Estadio_ol%C3%ADmpico_de_Pek%C3%ADn

- Estadio Olímpico de Pekín. [en línea]. Recuperado el 19 de Febrero de 2015 de http://www.arqhys.com/arquitectura/estadio-nacional-beijing.html


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- Estadio Olímpico de Pekín. [en línea]. Recuperado el 19 de Febrero de 2015 de http://es.slideshare.net/EikreDoppel/estadio-nacional-de-china-el-nido

- Estadio Olímpico de Pekín. [en línea]. Recuperado el 19 de Febrero de 2015 de http://es.wikipedia.org/wiki/Estadio_Nacional_de_Pek%C3%ADn

- Estructuras de acero. [en línea]. Recuperado el 14 de Febrero de 2015 de http://es.slideshare.net/luisk_44/estructuras-deacero

- Viviendas colectivas. [en línea]. Recuperado el 14 de Febrero de 2015 de http://tecnohaus.blogspot.com/2010/10/vivienda-colectiva-vivienda-social-en.html

- Manual AHMSA. [en línea]. Recuperado el 14 de Febrero de 2015 de http://www.ahmsa.com/manual_ahmsa_2013


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