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 , propiedades mecánicas como resistencias, prácticas de almacenamiento, etc. del acero estructural están reguladas por normas en la mayoría de los países industrializados.
La mayoría de las formas de acero estructural, como las vigas Ɪ , tienen momentos secundarios de área elevados , lo que significa que son muy rígidas con respecto a su área de sección transversal y, por lo tanto, pueden soportar una carga alta sin combarse excesivamente . [1]
Las formas disponibles se describen en muchas normas publicadas en todo el mundo y también se encuentran disponibles varias secciones transversales especializadas y patentadas.
Si bien muchas secciones se fabrican mediante laminación en caliente o en frío , otras se fabrican soldando juntas placas planas o dobladas (por ejemplo, las secciones huecas circulares más grandes se fabrican a partir de placas planas dobladas en un círculo y soldadas por costura). [2]
Los términos hierro angular , hierro acanalado y chapa de hierro han sido de uso común desde antes de que el hierro forjado fuera reemplazado por el acero para fines comerciales. Han sobrevivido después de la era del hierro forjado comercial y todavía se escuchan hoy en día, de manera informal, en referencia a las piezas angulares de acero, las piezas acanaladas y las chapas, a pesar de que son nombres inapropiados (compárese con "papel de aluminio", que todavía se usa a veces de manera informal para el papel de aluminio). En la escritura formal para contextos de metalistería, se utilizan términos precisos como piezas angulares , piezas acanaladas y chapa .
La mayoría de los aceros utilizados en 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 la resistencia a la fluencia en newtons por milímetro cuadrado o los megapascales equivalentes ; 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 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 en la especificación EN 10219, estándar EN 10210. Y la especificación más utilizada es la norma EN10219, que es Secciones huecas estructurales soldadas conformadas en frío de aceros no aleados y de grano fino.
EN10219-1 especifica las condiciones técnicas de entrega para secciones huecas estructurales soldadas conformadas en frío de formas circulares, cuadradas o rectangulares y se aplica a secciones huecas estructurales formadas en frío sin tratamiento térmico posterior.
Los requisitos para las tolerancias, dimensiones y propiedades de sección de las tuberías S275JOH están contenidos en 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. Las tuberías 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 resistencia a la fluencia disponibles normalmente son 195, 235, 275, 355, 420 y 460, aunque algunos grados se utilizan más comúnmente que otros; por ejemplo, en el Reino Unido, casi todo el acero estructural es de los grados S275 y S355. Hay grados superiores disponibles en material templado y revenido (500, 550, 620, 690, 890 y 960, aunque los grados superiores a 690 se utilizan poco o nada en la construcción en la actualidad).
Un conjunto de euronormas define la forma de un conjunto de perfiles estructurales estándar:
Los aceros que se utilizan 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 que se utilizan comúnmente para 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 se introduce mediante 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.
Dado que los componentes de acero son "críticos para la seguridad", el marcado CE no está permitido 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 regula el marcado CE de estructuras de acero es la EN 1090-1 . La norma entró en vigor a finales de 2010. Tras 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, que van desde hormigón de diferentes especificaciones, acero estructural, arcilla, mortero, cerámica, madera, etc. En términos de un marco estructural que soporte 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 utilizando acero estructural u hormigón armado . Al diseñar una estructura, un ingeniero debe decidir qué material, si no ambos, es el más adecuado para el diseño. Hay muchos factores que se consideran al elegir un material de construcción. El costo es comúnmente el elemento de control principal; sin embargo, se tendrán en cuenta otras consideraciones como el peso, la resistencia, la capacidad de construcción, la disponibilidad (con respecto a la ubicación geográfica y la disponibilidad en el mercado), la sostenibilidad y la resistencia al fuego antes de tomar una decisión final.
Las estructuras más altas de la actualidad (comúnmente llamadas " rascacielos " ) se construyen utilizando acero estructural debido a su facilidad de construcción, 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 elemento estructural de hormigón 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 los edificios de poca altura , o aquellos con 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 más económica. Esto es especialmente cierto para estructuras simples, como garajes de estacionamiento o cualquier edificio que tenga una forma simple y rectilínea. [17]
El acero estructural y el hormigón armado no siempre se eligen únicamente porque sean los materiales más idóneos para la estructura. Las empresas, al igual que los diseñadores, confían en la capacidad de obtener beneficios de cualquier proyecto de construcción. 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 dos materiales, probablemente prevalecerá el más barato de los dos. Otra variable importante es la ubicación del proyecto. La instalación de fabricación de acero más cercana puede estar mucho más lejos del lugar de construcción que el proveedor de hormigón más próximo. El alto coste de la energía y el transporte también determinará la selección del material. Todos estos costes 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 del hormigón armado. Esto ya es una práctica común en el hormigón armado, ya que el refuerzo de acero se utiliza para proporcionar la capacidad de resistencia a la tracción del acero a un elemento de hormigón estructural. Un ejemplo común serían los garajes de estacionamiento. Algunos garajes de estacionamiento se construyen utilizando columnas de acero estructural y losas de hormigón armado. El hormigón se vierte para las bases de cimentación, lo que proporciona al garaje de estacionamiento una superficie sobre la que construir. Las columnas de acero se conectarán a la losa atornillando y/o soldando a pernos de acero que sobresalen de la superficie de la losa de hormigón vertida. Se pueden entregar vigas de hormigón prefabricado en el lugar para instalarlas en el segundo piso, después de lo cual se puede verter una losa de hormigón para el área del pavimento. Esto se puede hacer para varios pisos. [17] Un garaje de estacionamiento de este tipo es solo un posible ejemplo de muchas estructuras que pueden utilizar tanto hormigón armado como acero estructural.
Un ingeniero estructural entiende 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] Al elegir los materiales estructurales para su estructura, el ingeniero tiene muchas variables a considerar, como el costo, la relación resistencia/peso, la sostenibilidad del material, la viabilidad de la construcción, etc.
Las propiedades del acero varían ampliamente, dependiendo de sus elementos de aleación.
La temperatura de austenización, la temperatura en la que un acero se transforma en una estructura cristalina de austenita , comienza en 900 °C (1650 °F) para el hierro puro y luego, a medida que se agrega más carbono, la temperatura cae a un mínimo de 724 °C (1335 °F) para el acero eutéctico (acero con solo 0,83 % en peso de carbono). A medida que se acerca al 2,1 % de carbono (en masa ), la temperatura de austenización vuelve a subir hasta 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 convierte en líquido por debajo de esta temperatura. El hierro puro ('acero' con 0% de carbono) comienza a fundirse a 1492 °C (2718 °F) y es completamente líquido al alcanzar 1539 °C (2802 °F). El acero con 2,1% de carbono en peso comienza a fundirse a 1130 °C (2070 °F) y está completamente fundido al alcanzar 1315 °C (2399 °F). El 'acero' con más de 2,1% de carbono ya no es acero, sino que se conoce como hierro fundido . [18]
El acero pierde resistencia cuando se calienta lo suficiente. La temperatura crítica de un elemento de acero es la temperatura a la que no puede soportar su carga de forma segura [ cita requerida ] . 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 tensión de fluencia se ha reducido al 60% de la tensión de fluencia a temperatura ambiente. [19] Para determinar la clasificación de resistencia al fuego de un elemento de acero, se pueden utilizar las prácticas de cálculo aceptadas, [20] 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, esta es inferior a 400 °C. [21] En China, Europa y América del Norte (por ejemplo, ASTM E-119), esta es aproximadamente 1000–1300 °F [22] (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 se puede ralentizar mediante el uso de materiales ignífugos , lo que limita la temperatura del acero. Los métodos de ignifugación comunes para el acero estructural incluyen revestimientos intumescentes , endotérmicos y de yeso, así como paneles de yeso, revestimiento de silicato de calcio y mantas aislantes de lana mineral. [23]
Las estructuras de hormigón para edificios suelen cumplir con las clasificaciones de resistencia al fuego requeridas por el código, ya que el espesor del hormigón sobre las barras de refuerzo de acero proporciona suficiente resistencia al fuego. Sin embargo, el hormigón puede estar sujeto a desconchamientos , en particular si tiene un alto contenido de humedad. Aunque no se suele aplicar protección contra incendios adicional a las estructuras de hormigón para edificios, 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 ordinarios durante el mismo período de incendio. Los materiales ignífugos de acero estructural incluyen revestimientos intumescentes, endotérmicos y de yeso, así como paneles de yeso , revestimiento de silicato de calcio y mantas de lana aislantes minerales 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 piezas de trabajo a medida se realiza generalmente con una sierra de cinta . [ cita requerida ]
Desde hace mucho tiempo, una línea de perforación de vigas (línea de perforación) se ha considerado una forma indispensable de perforar agujeros y fresar ranuras en vigas, canales y elementos HSS. Las líneas de perforación de vigas CNC suelen estar equipadas con transportadores de alimentación y sensores de posición para mover el elemento a la posición de perforación, además de capacidad de sondeo para determinar la ubicación precisa donde se debe cortar el agujero o la ranura.
Para cortar aberturas irregulares o extremos no uniformes en elementos dimensionales (no de placa), se suele utilizar un soplete de corte. Los sopletes de oxicorte son la tecnología más común y varían desde simples sopletes manuales hasta máquinas de corte 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" fija y diferentes cabezales de corte atraviesan la placa desde un brazo o "puente" de tipo pórtico. Los cabezales de corte pueden incluir un punzón, un taladro o un soplete.
