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Licenciatura en Ingeniería Civil
Materiales de Construcción
TRABAJO FINAL DE INVESTIGACION
ESTRUCTURAS DE ACERO
Estudiantes:
Valery Fallas Bermúdez José Corrales Guillén
Alonso Alvarado Oviedo Keylor Saborío Vargas
Profesor: Ing. Minor Murillo
I Cuatrimestre
2014
2
3
RESUMEN EJECUTIVO El acero es una aleación de Hierro y Carbono, principalmente, además de otros elementos que se
pueden incluir, para adquirir diferentes propiedades. El hierro se obtiene de la fundición de
magnetita y hematita, se combina con carbono u otros elementos y se le da forma. Se pueden
nombrar cuatro tipos principales:
Aceros con carbono
Aceros de Alta Resistencia y baja
aleación
Aceros resistentes a la corrosión
Aceros aleados y de baja aleación
enfriados y templados
Ventajas
Los aceros cuentan con muy alta resistencia por unidad de peso, la elasticidad y puntos de
cadencia son los mismos a tensión y a compresión, es un material dúctil (soporta grandes
deformaciones antes de fallar), proporciona estructuras de rápida construcción por su ligereza y
es un material que se puede reciclar.
Desventajas
Los costos de mantenimiento ante la corrosión (pintura, acero galvanizado o protección eléctrica)
y los costos de protección contra el fuego.
El acero tiene diferentes tipos de fallas como la fatiga (cargas cíclicas), fractura frágil
(agrietamiento con poca deformación) y fractura dúctil (ocurre por corte y con considerable
deformación plástica).
Como parte de la estructura se tienen miembros a tensión, los cuales se encargan de resistir
“estirones”, y se clasifican en diferentes tipos: cables y cuerdas de alambre, varillas y barras,
además de barras de ojo y placas conectadas por pasadores. Por otra parte se tiene las partes
estructurales como: las vigas, columnas y viga-columna.
Este material consta de diferentes tipos de conexiones, las cuales se mencionan a continuación:
Pernos y remaches
Pasadores
Soldaduras
Cargadas excéntricamente
Por cortante en marcos de edificios
Resistentes a momentos
Placa de extremo con perno
Se ejemplifica la investigación con dos importantes estructuras:
Puente de la Barqueta Arco atirantado, hecho de acero, ubicado en España y construido para la Exposición Universal del 92.
Estadio Olímpico de Beijing Apodado el nido de pájaro y construido para los Juegos Olímpicos, consta de un marco exterior de acero y asientos de concreto en el interior
ÍNDICE
RESUMEN EJECUTIVO .......................................................................................................................... 3
ÍNDICE .................................................................................................................................................. 4
ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................................. 6
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 7
EL ACERO ............................................................................................................................................. 8
Producción del acero ....................................................................................................................... 8
Clasificación de acuerdo a su composición ................................................................................... 10
Aceros con carbono ................................................................................................................... 10
Aceros de alta resistencia y baja aleación ................................................................................. 10
Aceros resistentes a la corrosión .............................................................................................. 10
Aceros aleados y de baja aleación enfriados y templados ........................................................ 11
PROPIEDADES DEL ACERO ................................................................................................................. 11
Alta resistencia .............................................................................................................................. 12
Propiedades de tensión ................................................................................................................. 12
Ductilidad ...................................................................................................................................... 12
Rapidez de construcción ............................................................................................................... 13
Reciclabilidad................................................................................................................................. 13
Durabilidad .................................................................................................................................... 13
Tenacidad ...................................................................................................................................... 13
DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL............................................................ 14
Costos de mantenimiento ............................................................................................................. 14
Pintura para la prevención de la corrosión ....................................................................... 14
Acero galvanizado ............................................................................................................. 14
Protección eléctrica ........................................................................................................... 14
Costos de la protección contra el fuego........................................................................................ 16
TIPOS DE FALLAS EN EL ACERO ......................................................................................................... 17
Fatiga ............................................................................................................................................. 17
Fractura frágil y fractura dúctil...................................................................................................... 17
LA ESTRUCTURA Y SUS PARTES ......................................................................................................... 17
5
Miembros a tensión ...................................................................................................................... 17
Partes Estructurales ...................................................................................................................... 18
TIPOS DE CONEXIONES ...................................................................................................................... 19
I. Conexiones con pernos y con remaches ............................................................................... 19
II. Conexiones por medio de pasadores .................................................................................... 19
III. Conexiones Soldadas ......................................................................................................... 20
IV. Conexiones cargadas excéntricamente ............................................................................. 21
V. Conexiones por cortante en marcos de edificios .................................................................. 21
VI. Conexiones resistentes a momento .................................................................................. 22
VII. Conexiones de placa de extremo con pernos ................................................................... 22
PUENTE LA BARQUETA ...................................................................................................................... 24
MECANISMOS BASICOS ................................................................................................................. 24
SELECCIÓN DEL ACERO .................................................................................................................. 25
DISEÑO DEL PUENTE ..................................................................................................................... 25
PROCESO CONSTRUCTIVO ............................................................................................................. 27
ESTADIO OLIMPICO DE BEIJING ........................................................................................................ 29
ESTRUCTURA ................................................................................................................................. 29
DISEÑO Y SUS COMPLICACIONES .................................................................................................. 30
CAPACIDADES ESTRUCTURALES .................................................................................................... 31
CONCLUSIÓN ..................................................................................................................................... 32
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................................... 33
6
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Minerales que componen el acero. Fuente: Google imágenes............................................. 8
Figura 2 Alto horno para la fundición del hierro. Fuente: Google imágenes. ..................................... 9
Figura 3 Diferentes formas del acero. Fuente: Google imágenes. ...................................................... 9
Figura 4 Diagrama de esfuerzo-deformación del acero. Fuente: Google imágenes. ........................ 11
Figura 5 Pruebas de ductilidad del acero. Fuente: Google imágenes ............................................... 13
Figura 6 Acero con afecciones corrosivas. Fuente: Google imágenes .............................................. 16
Figura 7 Viga con deformación plástica. Fuente: Google imágenes. ................................................ 17
Figura 8 Torones de acero. Fuente: Google imágenes ...................................................................... 18
Figura 9 Viga columna de acero. Fuente: Google imágenes. ............................................................ 19
Figura 10 Conexión con pernos y remaches. Fuente: Google imágenes .......................................... 19
Figura 11 Pasador de acero. Fuente: Google imágenes .................................................................... 20
Figura 12 Soldadura de acero. Fuente: Google imágenes. ............................................................... 21
Figura 13 Marco de acero. Fuente: Google imágenes ...................................................................... 22
Figura 14 Puente de la Barqueta. Fuente: Revista de Obras Públicas. ............................................. 24
Figura 15 Construcción del puente de la Barqueta. Fuente: Revista de Obras Públicas. ................. 25
Figura 16 Sección transversal del tablero. Fuente: Revista de Obras Públicas. ................................ 26
Figura 17 Sistema de torones de acero. Fuente: Revista de Obras Públicas. ................................... 26
Figura 18 Unión del arco central con los apoyos. Fuente: Revista de Obras Públicas. ..................... 27
Figura 19 Puente de la Barqueta en la noche. Fuente: Revista de Obras Públicas. .......................... 27
Figura 20 Estadio Olímpico de Beijing, Nido de Pájaro. Fuente: Google imágenes .......................... 29
Figura 21 Estructura de Acero, Nido de Pájaro. Fuente: Google imágenes. ..................................... 30
Figura 22 Proceso Constructivo del Nido de Pájaro, Fuente: Google imágenes ............................... 30
Figura 23 Estructura interna del Estadio Olímpico de Beijing. Fuente: Google imágenes. ............... 31
7
INTRODUCCIÓN
En la cotidianidad podemos ver puentes, torres de transmisión eléctrica, grandes
edificios, estructuras con énfasis en actividades de entretenimiento como lo son
estadios y teatros, todas estas utilizando como materia prima el acero.
Sin embargo la creación de estructuras como los antes mencionados no es una
simple tarea, sino la combinación de estudios y experiencias de varios ingenieros
especializados en estructuras, construcción, administración, arquitectos y muchas
otras facetas necesarias en la puesta en marcha de un proyecto.
El objetivo de la ingeniería es poder diseñar el esqueleto de dicha construcción
con acero, es decir, utilizar las cualidades del acero para lograr darle un soporte
estructural a la edificación propuesta, procurando obtener los materiales y costos
optimizados para obtener la estructura más segura al mejor precio.
En el presente trabajo se puede encontrar información acerca del origen del acero,
su clasificación, propiedades, desventajas de su utilización, partes estructurales,
tipos de conexiones y dos diferentes estructuras hechas con acero a lo largo de la
historia,
8
EL ACERO
Según la Real Academia española, se tiene la siguiente definición:
“Acero (Del lat. Aciarĭum, de acĭes, filo).
1. m. Aleación de hierro y carbono, en diferentes proporciones, que, según su tratamiento, adquiere especial elasticidad, dureza o resistencia.”
A partir del párrafo anterior como guía, podemos determinar que el acero es
básicamente una mezcla de hierro en un 98% y carbono, además de otros
materiales que pueden dar diferentes propiedades al acero, que mostrarán
comportamientos del acero al ser influenciado por cargas, el cual es un aspecto
muy importante cuando se habla de levantamiento de grandes estructuras de
acero.
Producción del acero
La producción del acero presenta 3 fases:
a) Fundición del mineral en altos hornos
De depósitos naturales de magnetita y hematita, se funde y se obtiene el hierro
utilizado para el acero.
Figura 1 Minerales que componen el acero. Fuente: Google imágenes
b) Fabricación del acero
Aquí se funde el hierro combinándolo con el carbono y otras aleaciones, los cuales
determinaran la calidad del acero.
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Figura 2 Alto horno para la fundición del hierro. Fuente: Google imágenes.
c) Laminado de perfiles en rodillos
Por último se produce el proceso de laminación, en el cual se le dará al acero la
forma de acabado requerido.
Figura 3 Diferentes formas del acero. Fuente: Google imágenes.
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Clasificación de acuerdo a su composición
Aceros con carbono En estos aceros el carbono y el manganeso son los principales elementos de
refuerzo. El carbono eleva el esfuerzo de fluencia y la dureza, pero reduce la
ductilidad y afecta la soldabilidad, por lo que se utiliza máximo un 1,7%. El
manganeso mejora la resistencia pero disminuye la ductilidad. A continuación se
tiene ejemplos de diferentes aceros:
Acero con bajo Carbono (se usa menos del 0,15% de carbono)
Aceros dulces (0,15% a 0,29% de carbono)
Acero al medio Carbono (0,3% a 0,95% de carbono)
Acero a alto Carbono (0,6% a 1,7% de carbono)
El acero que más se utiliza es el dulce, ya que muestran un marcado punto de
fluencia. El más común es el A36 con niveles de carbono de 0,25% a 0,29% y es
el único que puede obtenerse en espesores mayores a 8pulg (20 cm) con esfuerzo
mínimo de 32ksi (220,6 Mpa), cuando normalmente es de 36ksi (248,2 Mpa).
Aceros de alta resistencia y baja aleación Pueden contener aleaciones con cromo, columbio, cobre, níquel, zirconio,
manganeso, molibdeno y vanadio.
Tienen puntos de fluencia bien definidos, algunos son mejorados para resistir la
corrosión, tiene fabricación a bajo costo como los aceros dulces y alta resistencia
como los aceros aleados tratados térmicamente. En la siguiente información se
muestran algunos ejemplos:
ASTM A 572 (Especificación para aceros de alta resistencia y baja aleación
de vanadio y columbio)
Se usa para edificios principalmente y tiene cinco grados de esfuerzos de
fluencia (42, 50, 55, 60 y 65)
ASTM A 992 (máximo 0,5% de carbono) (especificación para perfiles de
acero estructural)
Son para perfiles W (secciones laminadas de patín ancho) para edificios,
con excelente ductilidad y soldabilidad.
Aceros resistentes a la corrosión Desarrollan su propia densidad, dureza y capa de óxido denso (color purpura),
este oxido sella el metal contra oxidación futura; se añade níquel y cobre. Por
ejemplo:
ASTM A588
Se utiliza en estructuras soldadas y atornilladas, tiene una resistencia a la
corrosión cuatro veces mayor a la de A36.
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Aceros aleados y de baja aleación enfriados y templados Estos aceros poseen mayores porcentajes de otros elementos, además dependen
de tratamientos térmicos para elevar resistencias y mejorar sus propiedades
mecánicas. El enfriamiento proporciona mucha dureza y superficie de grano fino,
su ductilidad es menor que la de los demás aceros por lo que se utiliza el
templado. Solo pueden encontrarse en forma de placas y no muestran un punto de
fluencia bien definido. Por ejemplo:
ASTM A514
Se definen diversos tipos de placas de la calidad estructural apropiada para
la soldadura. Pueden utilizarse para edificaciones muy altas, torres,
tanques, puentes y en general estructuras que resistan mucho peso. Se
debe tener cuidado especial al soldar, para no afectar las propiedades del
acero.
PROPIEDADES DEL ACERO
Con ayuda de la siguiente grafica se pueden enunciar diferentes características importantes del acero:
Figura 4 Diagrama de esfuerzo-deformación del acero. Fuente: Google imágenes.
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Un comportamiento elástico hasta un esfuerzo alto. Se aplican las relaciones
lineales entre el esfuerzo y la deformación, definidas por la Teoría de la
Elasticidad.
Una zona de comportamiento plástico, en la cual el esfuerzo permanece
prácticamente constante, pero aumenta continuamente la deformación unitaria.
Un punto de falla o de ruptura.
Alta resistencia
El acero consta de una alta resistencia por unidad de peso, lo que implica que se
puedan desarrollar estructuras muy ligeras, siendo esto de gran importancia en
infraestructura de puentes con grandes claros o edificios muy altos.
Propiedades de tensión
La propiedad de tensión del acero generalmente se determina a partir de pruebas
de tensión sobre pequeñas probetas, estos ensayos se realizan de acuerdo a los
estándares de la ASTM. (Ensayo de tracción, Ensayo de dureza, Ensayo de
impacto, Ensayo de doblado)
Para el acero estructural, los puntos de cadencia y los módulos de elasticidad
determinados a tensión y a compresión son casi los mismos.
El máximo esfuerzo alcanzado en una prueba a tensión es la resistencia del acero
misma. Después de que se alcanza este esfuerzo, las deformaciones crecientes
están acompañadas de esfuerzos decrecientes y finalmente llega a la fractura.
Ductilidad
La ductilidad es la capacidad de soportar grandes deformaciones bajo tensión sin
fallar, esta cualidad es muy importante en caso de emergencias ya que las
estructuras de acero dan tiempo suficiente para una evacuación antes de que
falle.
En una prueba a tensión, la ductilidad se mide por el porcentaje de elongación
sobre una determinada longitud de referencia.
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Figura 5 Pruebas de ductilidad del acero. Fuente: Google imágenes
Rapidez de construcción
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.
Reciclabilidad
El acero se puede reciclar prácticamente todo, el porcentaje de desperdicio es casi
un 0%. Por cada tonelada de acero reciclado, se ahorra tonelada y media de
mineral de hierro.
Durabilidad
Si el mantenimiento de las estructuras de acero es adecuado alargarán su tiempo
de vida, y seguir en funcionamiento después del tiempo de vida que especifique el
ingeniero.
Tenacidad
Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen resistencia y ductilidad. La
propiedad de un material para disipar energía en grandes cantidades se denomina
tenacidad.
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DESVENTAJAS DEL ACERO COMO MATERIAL ESTRUCTURAL
Costos de mantenimiento
El mantenimiento depende del ambiente al que vaya a estar expuesta la
estructura, además de la vida deseada para la edificación.
El principal problema del acero es la corrosión, al estar expuestos a agentes como
el agua o el aire, esta es un cambio volumétrico (por eso se puede apreciar una
capa de laminación externa sobre la corrosión) provocado por la reacción química
entre el hierro del acero y el oxígeno. Por otra parte existen agentes especiales
que también pueden provocar corrosión como productos de aplicación industrial,
sales des congelantes y la proximidad al océano.
Algunas formas de mantenimiento para prevenir el acero son las siguientes:
Pintura para la prevención de la corrosión El motivo de la utilización de pintura es interponer una capa neutra entre el acero y
el medio ambiente. Se debe realizar una limpieza profunda con algún químico o
cepillado, para luego proceder a la colocación de tres capas múltiples (primera
capa, capa intermedia y la capa de acabado). Sin embargo el uso de la pintura
tiene la limitación de que se va degradando y es debido repetir el procedimiento
cada cierto tiempo.
Acero galvanizado Recubrimiento de la estructura con Zinc fundido. Antes de aplicarlo se realiza una
limpieza con ácido hidroclórico o sulfúrico.
El periodo de vida de la protección depende del grosor de la capa, sin embargo
para determinar el grueso influyen aspectos como la rugosidad de la superficie, la
composición química del acero, la temperatura del zinc y el tiempo de inmersión.
En un ambiente no industrial el recubrimiento hace que la estructura se mantenga
de 15 a 20 veces mejor contra la corrosión que el acero simple, con 20 a 25 años
de vida con una capa de 75 a 100 micras de espesor; por otra parte en ambiente
industrial se defiende contra la corrosión de 5 a 10 veces mejor con una vida de 6
años.
Protección eléctrica Existen dos formas para proteger al acero por medio de la electricidad:
Protección catódica: Esta protección funciona gracias a la descarga de corriente desde una cama de ánodos hacia tierra y dichos materiales están sujetos a la
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corrosión, es deseable que dichos materiales se desgasten o se corroan a menores velocidades que los materiales que protegemos. Este mecanismo consiste en polarizar el cátodo, empleando una corriente externa, más allá del potencial de corrosión, hasta poder alcanzar el potencial del ánodo en circuito abierto, adquiriendo ambos el mismo potencial para así poder eliminar la corrosión en sitio. Ánodo galvánico: En la protección catódica con ánodo galvanices, se utilizan
metales fuertemente anódicos conectados al objeto a proteger, dando origen al
sacrificio de dichos metales por corrosión, descargando suficiente corriente, para
la protección del objeto. Los ánodos galvanices o ánodos de sacrificio son:
aluminio, magnesio y zinc.
Ventajas
Fácil de instalar
Bajo costo de mantenimiento
Distribución corriente uniforme
Desventajas
Corriente suministrada limitada
Costo inicial alto
Alto costo de ánodos enterrados
Protección anódica: Este método consiste en recubrir un metal con una fina capa de óxido para que no se corroe, tiene que ser adherente y muy firme. Existen metales como el aluminio, que son capaces de generar la capa de óxido y gracias a esto logra resistirse a la corrosión.
Ventajas
Resistencia a altas temperaturas
Resistencia a abrasión
Aumenta la adherencia de
pinturas
No requiere tiempo de curado
El calor se disipa rápidamente
Puede aplicarse en superficies
frías
Desventajas
Aplicable son en material de pasivación Altos costos de instalación
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Figura 6 Acero con afecciones corrosivas. Fuente: Google imágenes
Costos de la protección contra el fuego
La resistencia al fuego de la estructura es el tiempo que tarda la estructura en fallar en un incendio o cuando la temperatura en el lado opuesto, por ejemplo de la placa, alcanza una temperatura tal que los materiales (alfombras) en esa zona se incendian. Para miembros estructurales sencillos puede calcularse a partir de suposiciones teóricas, pero para miembros complejos o arreglos estructurales, esta resistencia al fuego debe determinarse mediante una prueba de fuego a escala natural, colocando el prototipo en un horno cuya temperatura se gradúa de acuerdo a una curva estándar de fuego, que corresponde al aumento de temperaturas observado en un incendio. Los diferentes países adoptan su curva de acuerdo a sus materiales y grado de desarrollo.
La resistencia al fuego especificada por los códigos de los países avanzados, depende de la carga de fuego y de la altura y finalidad de la construcción. Las reglamentaciones se basan en dos conceptos: debe ser posible evacuar todos los ocupantes de la edificación; o que el incendio se extinga autónomamente sin causar ninguna catástrofe, aún si los bomberos no son capaces de hacerlo.
El atentado terrorista de septiembre del 2001 al World Trade Center de Nueva
York demostró la gran vulnerabilidad de las estructuras de acero en situaciones de
fuego incontrolado. La pérdida de resistencia de las columnas y vigas de acero por
temperaturas superiores a los 800 ºC, causaron el desplome progresivo de las
torres (efecto pancake). De todas maneras, las circunstancias del 11 de
septiembre eran imprevisibles desde el punto de vista del diseño estructural y
debe llevar a los diseñadores a buscar la combinación de materiales para
garantizar la estabilidad de la estructura aún en eventos como éste, no previstos
en los diseños.
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TIPOS DE FALLAS EN EL ACERO
Fatiga
Un miembro estructural sometido a cargas cíclicas puede eventualmente fallar por
iniciación y propagación de grietas, y pude ocurrir a niveles de esfuerzos muy por
debajo del esfuerzo de candencia.
Fractura frágil y fractura dúctil
Bajo una serie de combinaciones desfavorables un miembro de acero puede
experimentar una fractura frágil.
En general una fractura frágil es una falla que ocurre por agrietamiento con poca
indicación de deformación plástica. Al contrario de una fractura dúctil, que ocurre
principalmente por corte, por lo general precedida por una considerable
deformación plástica.
Figura 7 Viga con deformación plástica. Fuente: Google imágenes.
LA ESTRUCTURA Y SUS PARTES
Miembros a tensión
Son los miembros que trasmiten un "estirón" entre dos puntos de una estructura.
Para que todo el material en el miembro a tensión sea efectivo, las conexiones del
extremo deben diseñarse más fuertes que el cuerpo del miembro. Si se
sobrecarga a la falla, tal miembro a tensión no solo alcanzara el esfuerzo de
fluencia sino que pasará de este nivel hasta llegar a la resistencia última.
El miembro a tensión y sus conexiones de extremo deben diseñarse para que no
se presente una falla por fatiga en caso de que se esperen cargas y descargas
alternadas en ciclos con un gran número de repeticiones. Debido a su eficiencia y
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a que el pandeo no es un problema, los miembros a tensión hacen un uso más
ventajoso de los aceros de alta resistencia que cualquier otro tipo de miembro.
Tipos de miembros a tensión:
- Cables y cuerdas de alambre: Un cable se define como un miembro flexible a
tensión que consistes en uno o más grupos de alambres, torones o cuerdas.
- Varillas y barras: El miembro a tensión más simple es la barra cuadrada o
redonda. Las barras redondas con extremos roscados tienen menor costo
económico que las barras con extremos de rosca sobre puesta, pero tienen
ciertas desventajas, es probable la ocurrencia de una falla bajo sobrecarga de
impacto o por carga repetida en la porción roscada.
- Barras de ojo y placas conectadas por pasadores: Estas se usan en una
gran cantidad de situaciones especiales, ejemplo: en la transferencia de una
carga de tensión de una cuerda de alambre o cable a un miembro o anclaje de
acero estructural.
Figura 8 Torones de acero. Fuente: Google imágenes
Partes Estructurales
1. Vigas: Las vigas soportan cargas que son aplicadas en un ángulo transversal
al eje longitudinal del miembro, tales cargas están usualmente dirigidas
gravitacionalmente. La viga lleva las cargas a sus soportes que pueden
consistir en muros de carga, columnas u otras vigas a las que se conecta
estructuralmente.
2. Columnas: Una columna se refiere a un miembro que soporta una carga axial
que se encuentra a compresión, ya sea horizontal, vertical o inclinado.
3. Viga Columna: Las vigas columnas son los miembros que pueden resistir
esfuerzos o cargas axiales y momentos o las cargas longitudinales que
producen la columna.
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Figura 9 Viga columna de acero. Fuente: Google imágenes.
TIPOS DE CONEXIONES
I. Conexiones con pernos y con remaches
Los remaches son fabricados con una cabeza especial redonda y se instalan en
agujeros punzonados o taladrados mayores que el diámetro de los remaches.
Los pernos estándar o comunes proyectan cierta incertidumbre debido a que no se
sabe si la porción roscada de los pernos pasan o no pasan por el plano de corte,
por lo cual su resistencia es considerablemente menor que la de los remaches. Su
empleo es restringido a estructuras sometidas a cargas estáticas y miembros
como lagueros, correas y riostras.
Los remaches y pernos estándar son aceptables en conexiones de tensión, como
colgantes.
Figura 10 Conexión con pernos y remaches. Fuente: Google imágenes
II. Conexiones por medio de pasadores
Las conexiones por pasadores se usan a veces en soportes de puentes con el fin
de permitir la rotación de extremo.
Con tamaños de entre 2 in y 10 in de diámetro (50mm y 250mm), se diseñan de
manera análoga a las conexiones por aplastamiento de pernos, pero con el
20
requisito adicional de tener que revisar el esfuerzo por flexión en el pasador
mismo.
Figura 11 Pasador de acero. Fuente: Google imágenes
III. Conexiones Soldadas
En soldaduras estructurales, el calor del arco eléctrico funde simultáneamente al
electrodo y al acero adyacente en las partes en la que se une.
Algunas ventajas de la soldadura son:
Se logra simplicidad en los detalles de diseño, eficiencia y peso mínimo
Los costos de fabricación se reducen
Se logra un ahorro en peso de los miembros principales a tensión
Mejora de la apariencia estructural
Simplifica el esfuerzo y reparación de estructuras existentes
Algunos tipos de soldaduras:
Filete: Se usa para unir una placa a otra placa o miembro en posición paralela
Ranura: Retiene la continuidad de las placas que se unen a tope a lo largo de sus
bordes
21
Figura 12 Soldadura de acero. Fuente: Google imágenes.
IV. Conexiones cargadas excéntricamente
La concentricidad es siempre deseable, pero a veces se requieren conexiones
cargadas excéntricamente de la carga que impone solo una fuerza cortante y sin
tensión inicial. Puede sacarse una hipótesis de que la carga excéntrica
reemplazándola por una fuerza y un momento equivalente actuando al centroide
del grupo de sujetadores.
Sin embargo si se induce cortante y tensión por carga excéntrica el diseño tendrá
que considerar:
Un esfuerzo permisible reducido de tensión en sujetadores de conexiones
remachadas o atornilladas
Un esfuerzo cortante permisible reducido en conexiones tipo fricción que se
usen pernos de alta resistencia
V. Conexiones por cortante en marcos de edificios
Existen diversos tipos de conexiones entre viga y columna o entre viga y trabe
para soportar reacciones de viga simple. Se hacen intencionalmente flexibles
respecto a la rotación entre los extremos de viga y la columna o la trabe.
En el caso de ángulos de asiento atiesados conectados por remaches o pernos,
los sujetadores unen los ángulos a la columna o trabe que estén sometidos a
cortante y tensión combinada debido a la excentricidad a la carga aplicada.
22
Figura 13 Marco de acero. Fuente: Google imágenes
VI. Conexiones resistentes a momento
Existen 2 tipos de conexiones:
Rígidas
Las conexiones rígidas se usan en construcciones que resisten fuerzas laterales
causadas o inducidas por viento o sismo. Son también un requisito para marcos
proporcionados según diseño plástico, en donde las conexiones deben ser fuertes
para desarrollar un momento de fluencia completo en las articulaciones plásticas
adyacentes.
Semi-Rígidas
Las conexiones semirrígidas se usan en construcción semicontinua,
principalmente en edificios de oficinas o habitaciones de altura moderna.
VII. Conexiones de placa de extremo con pernos
Esta conexión es soldada en taller bajo condiciones controladas y atornillada en
campo. Puede diseñarse para una restricción total de extremo y en muchas áreas
es el tipo más económico para usar si se utiliza la acción de continuidad.
23
24
PUENTE LA BARQUETA
Este puente fue construido por motivo de la Exposición Universal de 1992, en
España. Para conectar Sevilla (antiguo) con el parque tecnológico (lo moderno).
Sus autores son Juan José Arenas de Pablo y Marcos Pantaleón Priet, doctores
ingenieros de caminos.
Los trabajos de cimentación se iniciaron en el mes de septiembre de 1988,
mientras que los de construcción de piezas de acero comenzaron en los talleres
metálicos en el mes de octubre del mismo año. La obra se desarrolló en la orilla al
lado de la Expo 92 del viejo cauce del Guadalquivir y en mayo de 1989 fue
cuando el puente estuvo dispuesto para su montaje por rotación; operación que se
llevó a cabo el día 30 del mismo mes.
Figura 14 Puente de la Barqueta. Fuente: Revista de Obras Públicas.
Con el puente en su emplazamiento definitivo continuaron los trabajos de
acabado, que en diciembre de 1989 estaban totalmente concluidos, y es uno de
los cinco accesos de los que dispone la Isla de la Cartuja. En apenas 210 días el
puente había sido levantado, girado y habilitado.
MECANISMOS BASICOS
En las condiciones básicas del concurso se denotaba salvar un vano de 170m, a
escasa altura sobre el agua y con terreno de cimentación relativamente flojo, por
lo que se decidió desde el principio implantar un arco superior atirantado por el
propio tablero.
En términos generales funciona como un tramo simplemente apoyado, o sea como
una viga que soporta momentos flectores y esfuerzos cortantes, compuesta por
cabezas separadas que resisten el flector (arco superior resistiendo la compresión
y tablero inferior soportando la tracción) y una ley de variación de canto que hace
que la fuerza de compresión que viene del arco se proyecte vertical.
25
SELECCIÓN DEL ACERO
Para el tablero traccionado se empleó el acero, también se pensó en el concreto
pretensado sin embargo se obtenía un tablero con el orden de cinco veces el peso
del tablero de acero.
En el caso del arco, pieza fundamentalmente comprimida, aumentan las
posibilidades de cambiar el acero por concreto armado, sin embargo el plazo de
construcción era de solo 10 meses, plazo que se cumplió con una estructura de
acero y difícilmente hubiera sido realizada con concreto. Debido a la influencia de
puntos como la ligereza y el prefabricado, se sabe que el concreto también
permite la prefabricación de segmentos, pero con un peso muy superior que no
hubiera permitido el ensamblaje basado en el giro y flotación.
Se sabe que el acero no es la primera opción para construir puentes debido a los
costos, sin embargo existen casos especiales en los que se vuelve la mejor opción
para implantar cierto nivel de tecnología necesaria en algunas estructuras.
DISEÑO DEL PUENTE
Desde el principio se pensó en un arco único para lograr un efecto de pasarela y
mayor comodidad para los peatones, sin embrago se tenían limitaciones de
anchura y podían haber problemas de estabilidad de la estructura, por lo que
condujo a la idea de abrir el arco en ambos extremos, descomponiéndolo en dos
pares de pies inclinados que no caen sobre el tablero sino que lo abrazan,
resolviendo problemas de estabilidad y anchura.
Se distribuyeron 168m de luz entre dos segmentos extremos constituidos por un
par de pies inclinados de 30x30cm, rehundidos de 30cm y 30m de luz cada uno y
un hueco central de 108m donde se desarrolla un arco único de 270cm de ancho
por 180cm de canto, con rehundidos de 30cm de profundidad.
Figura 15 Construcción del puente de la Barqueta. Fuente: Revista de Obras Públicas.
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Como todo tablero de plano único de péndulas, está obligado a recoger todas las
cargas torsoras para trasladarlos a apoyos finales donde son equilibradas por
reacciones exteriores verticales, muy bien manejado por un tablero de acero de
16m de ancho, fondo de 6m y dos almas inclinadas separadas por un metro para
anclar las péndolas.
Figura 16 Sección transversal del tablero. Fuente: Revista de Obras Públicas.
Pare resolver el problema de inclinaciones variables a lo largo del tablero, se
pusieron amarres a cada 8,5m de distancia que mantienen suspendido el tablero,
y a 6,75m de separación horizontal que cubren los 108m de proyección del arco.
Figura 17 Sistema de torones de acero. Fuente: Revista de Obras Públicas.
La unión entre el arco y lo pies inclinados se da por medio de un nudo, que
constituyo una de las partes más complejas del puente. Las uniones inferiores y
superiores se enlazan mediante planos en forma de trapecios y triángulos,
mientras que los laterales se unen las caras externas del arco con las caras
internas de los pies mediante superficies planas.
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Figura 18 Unión del arco central con los apoyos. Fuente: Revista de Obras Públicas.
En las bases de los pies inclinados aparecen las reacciones verticales de las pilas
que lo equilibran y el soporte del tablero para las fuerzas horizontales. Ya que los
pies se encuentran apoyados fuera del tablero existen unas estructuras llamadas
tirantes horizontales que los enlazan.
Figura 19 Puente de la Barqueta en la noche. Fuente: Revista de Obras Públicas.
PROCESO CONSTRUCTIVO
Desde el principio se imaginó que el puente debería construirse en una orilla para
ser girado posteriormente mediante flotación hasta su emplazamiento definitivo.
Terminado el montaje del puente y sus péndolas, se excava una dársena en la
margen del rio por la que penetran unos flotadores que toman, con gatos, la mitad
de su peso. Los flotadores son arrastrados con cables hasta llegar a las pilas,
llegando a su destino el puente se desciende suavemente.
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ESTADIO OLIMPICO DE BEIJING
El Estadio Olímpico de Beijing, apodado el “nido de pájaros” debido a la red de
torsión de acero que forma su estructura, contó con un presupuesto de 292
millones de euros, siendo dispuesto a ser uno de los edificios más impresionantes
de la organización de los Juegos Olímpicos de 2008. La innovadora estructura fue
diseñada por los arquitectos suizos Jacques Herzog y Pierre de Meuron, con el
apoyo del Grupo de investigación de Arquitectura y Diseño Chino.
Figura 20 Estadio Olímpico de Beijing, Nido de Pájaro. Fuente: Google imágenes
ESTRUCTURA
El estadio tiene dos estructuras independientes. Un tazón rojo con asientos de
concreto y un marco exterior de acero alrededor de ella a 50 pies de distancia.
Una serie de estructuras voladizas se diseñaron para sostener el techo, dando
sombra a los asientos. La estructura principal del Estadio Nacional es una enorme
silla con forma elíptica de acero que pesa 42.000 toneladas.
El estadio fue diseñado para incorporar elementos de arte y cultura del país,
contando para ello con unas dimensiones de 333 metros de largo, 294 metros de
ancho y 69,2 metros de alto. Su capacidad inicial era de 91.000 asientos, sin
embargo, una vez finalizado los Juegos Olímpicos, se redujo su aforo a 80.000
plazas.
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Figura 21 Estructura de Acero, Nido de Pájaro. Fuente: Google imágenes.
DISEÑO Y SUS COMPLICACIONES
Las obras de construcción se detuvieron en agosto de 2004 a causa de la
percepción del alto coste de la edificación, con lo cual, se les sugirió a los
arquitectos e ingenieros que cambiar el diseño para disminuir costos y poder
finalizar la construcción a tiempo.
En el nuevo diseño, el techo del estadio se omitió por completo, sin embargo,
muchos expertos creen que esto hizo que el estadio fuese más seguro ante
actividades sísmicas. Por otro lado, la omisión del techo redujo significativamente
los costos de construcción. Como resultado de los cambios realizados, el consumo
total de acero en la estructura principal se redujo en un 22,3% desde el diseño
original.
Figura 22 Proceso Constructivo del Nido de Pájaro, Fuente: Google imágenes
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A fin de minimizar la construcción de encofrados, el equipo de diseño favoreció el
uso de elementos prefabricados de hormigón. Unas hileras con forma de “L”
prefabricadas abarca las áreas entre el soporte del hormigón reforzado in situ a las
vigas en la sección de los niveles medio y superior. El estadio cuenta con el apoyo
de 24 grandes columnas de 1.000 toneladas cada una, siendo bastante superior al
peso de las convencionales en un estadio y al propio espacio de patrón aleatorio.
Los principales elementos se apoyan mutuamente y convergen en una red de
formación. El stand del estadio es de siete pisos, con un sistema de muros de
concreto reforzado. La parte superior del “stand” y la estructura de acero del
estadio son separadas el uno del otro, pero ambos se encuentran en cimientos
comunes.
CAPACIDADES ESTRUCTURALES
Esta estructura es capaz de resistir altas temperaturas como la de un fuego en su
interior, y soportar fenómenos atmosféricos y de superficie como terremoto, con
una capacidad de aguantar unos 8 terremotos de gran magnitud. Esta
infraestructura a nivel deportivo es la más importante dentro de las edificaciones
de Beijing, este plasma para mucho la relación entre ecología, ciencia y
tecnología.
Figura 23 Estructura interna del Estadio Olímpico de Beijing. Fuente: Google imágenes.
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CONCLUSIÓN
Se puede decir que el acero ha sido un material esencial en la construcción de
estructuras a lo largo de la historia, tiene propiedades como alta resistencia y
ligereza, que lo hace el ideal.
Sin embargo en la actualidad el acero tiene muchos métodos constructivos que
compiten contra él, como el concreto, o combinaciones, como el concreto
reforzado, que disminuye la cantidad de metal que se utiliza y disminuir costos.
El acero se utiliza, como materia prima principal, en edificaciones o estructuras
que requieran de las propiedades especiales del acero como el puente de La
Barqueta, que por su ensamblaje necesitaba ligereza y fácil instalación, o edificios
muy altos que requieran estructuras livianas.
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