El acero estructural es una categoría de acero que se utiliza para fabricar materiales de construcción en una variedad de formas. Muchas formas de acero estructural toman la forma de una viga alargada que tiene un perfil de una sección transversal específica . Las formas, tamaños, composición química y propiedades mecánicas del acero estructural, como resistencias, prácticas de almacenamiento, etc., están reguladas por normas en la mayoría de los países industrializados.
La mayoría de las formas de acero estructural, como las vigas en I , tienen segundos momentos de área altos , lo que significa que son muy rígidas con respecto a su área de sección transversal y, por lo tanto, pueden soportar una carga elevada sin combarse excesivamente . [1]
Las formas disponibles se describen en muchas normas publicadas en todo el mundo y también están disponibles varias secciones transversales especializadas y patentadas.
Si bien muchas secciones se fabrican laminadas en caliente o en frío , otras se fabrican soldando entre sí placas planas o dobladas (por ejemplo, las secciones huecas circulares más grandes se fabrican a partir de placas planas dobladas formando un círculo y soldadas por costura). [2]
Los términos hierro en ángulo , hierro en canal y chapa de hierro han sido de uso común desde antes de que el hierro forjado fuera reemplazado por el acero con fines comerciales. Han sobrevivido después de la era del hierro forjado comercial y a veces todavía se escuchan hoy, de manera informal, en referencia a ángulos de acero, canales y láminas, a pesar de que son nombres inapropiados (compárese con "papel de aluminio", que a veces todavía se usa informalmente para papel de aluminio). En la redacción formal para contextos de trabajo de metales, se utilizan términos precisos como material en ángulo , material en canal y lámina .
La mayoría de los aceros utilizados en toda Europa cumplen con la norma europea EN 10025 . Sin embargo, muchas normas nacionales también siguen vigentes. [3]
Los grados típicos se describen como 'S275J2' o 'S355K2W'. En estos ejemplos, 'S' denota acero estructural en lugar de acero de ingeniería; 275 o 355 denota el límite elástico en newtons por milímetro cuadrado o el equivalente en megapascales ; J2 o K2 denota la tenacidad de los materiales con referencia a los valores de la prueba de impacto Charpy ; y la 'W' denota acero resistente a la intemperie . Se pueden utilizar otras letras para designar el acero de grano fino ('N' o 'NL'); acero templado y revenido ("Q" o "QL"); y acero laminado termomecánicamente («M» o «ML»).
1. Especificación S275JOH S275JOH es un grado de acero según la especificación EN 10219, estándar EN 10210. Y la especificación más utilizada es la norma EN10219, que consiste en secciones huecas estructurales soldadas y conformadas en frío de aceros no aleados y de grano fino.
EN10219-1 especifica las condiciones técnicas de entrega para perfiles huecos estructurales soldados conformados en frío de forma circular, cuadrada o rectangular y se aplica a perfiles huecos estructurales formados en frío sin tratamiento térmico posterior.
Los requisitos para las tolerancias, dimensiones y propiedades seccionales de las tuberías S275JOH están contenidos en la norma EN 10219-2.
2. Proceso de fabricación de tubos de acero S275JOH
El proceso de fabricación del acero quedará a discreción del productor de acero. Los tubos de acero al carbono S275JOH se pueden fabricar en proceso ERW, SAW o sin costura. Todo el material de acero S275JOH y las tuberías S275JOH deben cumplir con las normas EN10219. [4]
Los grados de límite elástico normales disponibles son 195, 235, 275, 355, 420 y 460, aunque algunos grados se usan más comúnmente que otros, por ejemplo, en el Reino Unido, casi todo el acero estructural es de grados S275 y S355. Los grados superiores están disponibles en material templado y revenido (500, 550, 620, 690, 890 y 960, aunque los grados superiores a 690 reciben poco o ningún uso en la construcción en la actualidad).
Un conjunto de normas europeas definen la forma de un conjunto de perfiles estructurales estándar:
Los aceros utilizados para la construcción de edificios en los EE. UU. utilizan aleaciones estándar identificadas y especificadas por ASTM International . Estos aceros tienen una identificación de aleación que comienza con A y luego dos, tres o cuatro números. Los grados de acero AISI de cuatro números comúnmente utilizados en ingeniería mecánica, máquinas y vehículos son una serie de especificaciones completamente diferente.
Los aceros estructurales estándar comúnmente utilizados son: [5]
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El concepto de marcado CE para todos los productos de construcción y productos de acero lo introduce la Directiva de Productos de Construcción (CPD) . La CPD es una Directiva europea que garantiza la libre circulación de todos los productos de construcción dentro de la Unión Europea.
Debido a que los componentes de acero son "críticos para la seguridad", no se permite el marcado CE a menos que el sistema de control de producción en fábrica (FPC) bajo el cual se producen haya sido evaluado por un organismo de certificación adecuado que haya sido aprobado por la Comisión Europea. [6]
En el caso de productos de acero como perfiles, pernos y estructuras de acero fabricadas, el Marcado CE demuestra que el producto cumple con la norma armonizada pertinente. [7]
Para estructuras de acero las principales normas armonizadas son:
La norma que cubre el Marcado CE de estructuras de acero es la EN 1090 -1. La norma entró en vigor a finales de 2010. Después de un período de transición de dos años, el Marcado CE será obligatorio en la mayoría de los países europeos a principios de 2012. [8] La fecha oficial de finalización del período de transición es el 1 de julio de 2014.
La mayoría de los proyectos de construcción requieren el uso de cientos de materiales diferentes. Estos van desde hormigón de diferentes especificaciones, acero estructural, arcilla, mortero, cerámica, madera, etc. En términos de un marco estructural que soporta carga, los materiales generalmente consistirán en acero estructural, hormigón , mampostería y/o madera, utilizando una combinación adecuada de cada uno para producir una estructura eficiente. La mayoría de las estructuras comerciales e industriales se construyen principalmente con acero estructural u hormigón armado . Al diseñar una estructura, un ingeniero debe decidir cuál material, si no ambos, es el más adecuado para el diseño. Hay muchos factores que se consideran a la hora de elegir un material de construcción. El costo suele ser el principal elemento de control; sin embargo, antes de tomar una decisión final, se tendrán en cuenta otras consideraciones como el peso, la resistencia, la constructibilidad, la disponibilidad (con respecto a la ubicación geográfica y la disponibilidad en el mercado), la sostenibilidad y la resistencia al fuego.
Las estructuras más altas hoy en día (comúnmente llamadas " rascacielos " o rascacielos ) se construyen utilizando acero estructural debido a su constructibilidad, así como a su alta relación resistencia-peso. En comparación, el hormigón, aunque es menos denso que el acero, tiene una relación resistencia-peso mucho menor. Esto se debe al volumen mucho mayor requerido para que un miembro estructural de concreto soporte la misma carga; El acero, aunque más denso, no requiere tanto material para soportar una carga. Sin embargo, esta ventaja se vuelve insignificante para edificios de poca altura o de varios pisos o menos. Los edificios de poca altura distribuyen cargas mucho más pequeñas que las estructuras de gran altura , lo que hace que el hormigón sea la opción económica. Esto es especialmente cierto para estructuras simples, como estacionamientos o cualquier edificio que tenga una forma simple y rectilínea. [17]
El acero estructural y el hormigón armado no siempre se eligen únicamente porque son el material más ideal para la estructura. Las empresas confían en la capacidad de obtener beneficios de cualquier proyecto de construcción, al igual que los diseñadores. El precio de las materias primas (acero, cemento, áridos gruesos, áridos finos, madera para encofrados, etc.) cambia constantemente. Si se pudiera construir una estructura utilizando cualquiera de los materiales, probablemente prevalecerá el más barato de los dos. Otra variable significativa es la ubicación del proyecto. La instalación de fabricación de acero más cercana puede estar mucho más lejos del sitio de construcción que el proveedor de concreto más cercano. El alto costo de la energía y el transporte también controlará la selección del material. Todos estos costos se tendrán en cuenta antes de comenzar el diseño conceptual de un proyecto de construcción. [11]
Las estructuras que constan de ambos materiales aprovechan los beneficios del acero estructural y el hormigón armado. Esta ya es una práctica común en el hormigón armado en el sentido de que el refuerzo de acero se utiliza para proporcionar la capacidad de resistencia a la tracción del acero a un miembro estructural de hormigón. Un ejemplo común serían los estacionamientos. Algunos estacionamientos se construyen con columnas de acero estructural y losas de hormigón armado. Se verterá el hormigón para los cimientos, dando al aparcamiento una superficie sobre la que construir. Las columnas de acero se conectarán a la losa atornillándolas y/o soldándolas a montantes de acero que sobresalen de la superficie de la losa de hormigón vertido. Las vigas de hormigón prefabricadas se podrán entregar en obra para su instalación en el segundo piso, tras lo cual se podrá verter una losa de hormigón para la zona del pavimento. Esto se puede hacer para varias historias. [17] Un estacionamiento de este tipo es sólo un posible ejemplo de muchas estructuras que pueden utilizar tanto hormigón armado como acero estructural.
Un ingeniero estructural comprende que existe una cantidad infinita de diseños que producirán un edificio eficiente, seguro y asequible. El trabajo del ingeniero es trabajar junto con los propietarios, contratistas y todas las demás partes involucradas para producir un producto ideal que se adapte a las necesidades de todos. [11] A la hora de elegir los materiales estructurales para su estructura, el ingeniero tiene muchas variables a considerar, como el coste, la relación resistencia/peso, la sostenibilidad del material, la constructibilidad, etc.
Las propiedades del acero varían ampliamente dependiendo de sus elementos de aleación.
La temperatura de austenización, la temperatura donde un acero se transforma en una estructura cristalina de austenita , para el acero comienza en 900 °C (1650 °F) para el hierro puro, luego, a medida que se agrega más carbono, la temperatura cae a un mínimo de 724 °C ( 1335 °F) para acero eutéctico (acero con sólo 0,83% en peso de carbono). A medida que se acerca el 2,1% de carbono (en masa ), la temperatura de austenización vuelve a subir, a 1130 °C (2070 °F). De manera similar, el punto de fusión del acero cambia según la aleación.
La temperatura más baja a la que un acero al carbono simple puede comenzar a fundirse, su solidus , es de 1130 °C (2070 °F). El acero nunca se vuelve líquido por debajo de esta temperatura. El hierro puro ('acero' con 0% de carbono) comienza a fundirse a 1.492 °C (2.718 °F) y es completamente líquido al alcanzar 1.539 °C (2.802 °F). El acero con 2,1% de carbono en peso comienza a fundirse a 1130 °C (2070 °F) y se funde completamente al alcanzar 1315 °C (2399 °F). El 'acero' con más de un 2,1% de Carbono ya no es Acero, sino que se conoce como Hierro Fundido . [18]
El acero pierde fuerza cuando se calienta lo suficiente. La temperatura crítica de un miembro de acero es la temperatura a la cual no puede soportar su carga de manera segura. [19] Los códigos de construcción y la práctica estándar de ingeniería estructural definen diferentes temperaturas críticas según el tipo de elemento estructural, la configuración, la orientación y las características de carga. La temperatura crítica a menudo se considera la temperatura a la que su límite elástico se ha reducido al 60% del límite elástico a temperatura ambiente. [20] Para determinar la clasificación de resistencia al fuego de un miembro de acero, se pueden utilizar prácticas de cálculo aceptadas, [21] o se puede realizar una prueba de fuego , cuya temperatura crítica está establecida por la norma aceptada por la autoridad competente. , como un código de construcción. En Japón, la temperatura es inferior a 400 °C. [22] En China, Europa y América del Norte (por ejemplo, ASTM E-119), esto es aproximadamente 1000–1300 °F [23] (530–810 °C). El tiempo que tarda el elemento de acero que se está probando en alcanzar la temperatura establecida por la norma de prueba determina la duración de la clasificación de resistencia al fuego . La transferencia de calor al acero puede reducirse mediante el uso de materiales ignífugos , limitando así la temperatura del acero. Los métodos comunes de protección contra incendios para acero estructural incluyen revestimientos intumescentes , endotérmicos y de yeso, así como paneles de yeso, revestimientos de silicato de calcio y mantas aislantes de lana mineral. [24]
Las estructuras de construcción de concreto a menudo cumplen con las clasificaciones de resistencia al fuego requeridas por el código, ya que el espesor del concreto sobre las barras de refuerzo de acero proporciona suficiente resistencia al fuego. Sin embargo, el hormigón puede estar sujeto a desconcharse , especialmente si tiene un contenido de humedad elevado. Aunque no suele aplicarse protección contra incendios adicional a las estructuras de edificios de hormigón, a veces se utiliza en túneles de tráfico y lugares donde es más probable que se produzca un incendio por combustible de hidrocarburos , ya que los incendios de líquidos inflamables proporcionan más calor al elemento estructural en comparación con un incendio que involucra combustibles comunes durante el mismo periodo de incendio. Los materiales ignífugos de acero estructural incluyen revestimientos intumescentes, endotérmicos y de yeso, así como paneles de yeso , revestimientos de silicato de calcio y mantas de lana aislante mineral o de alta temperatura. Se presta atención a las conexiones, ya que la expansión térmica de los elementos estructurales puede comprometer los conjuntos con clasificación de resistencia al fuego.
El corte de las piezas de trabajo a medida se suele realizar con una sierra de cinta . [ cita necesaria ]
Una línea de perforación de vigas (línea de perforación) se considera desde hace mucho tiempo una forma indispensable para perforar agujeros y fresar ranuras en vigas, canales y elementos HSS. Las líneas de perforación de vigas CNC generalmente están equipadas con transportadores de alimentación y sensores de posición para mover el elemento a su posición de perforación, además de capacidad de sondeo para determinar la ubicación precisa donde se va a cortar el orificio o la ranura.
Para cortar aberturas irregulares o extremos no uniformes en elementos dimensionales (que no son placas), normalmente se utiliza un soplete de corte. Los sopletes de oxicombustible son la tecnología más común y van desde simples sopletes manuales hasta máquinas copiadoras CNC automatizadas que mueven el cabezal del soplete alrededor del elemento estructural de acuerdo con las instrucciones de corte programadas en la máquina.
La fabricación de placas planas se realiza en un centro de procesamiento de placas donde la placa se coloca plana sobre una "mesa" estacionaria y diferentes cabezales de corte atraviesan la placa desde un brazo o "puente" estilo pórtico. Los cabezales de corte pueden incluir un punzón, un taladro o un soplete.
