Acero Como Material Para Estructuras (steel As A Structural Material)

Primer Encuentro del Acero en Colombia

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El uso del acero estructural en Colombia se ha visto mitificado por un largo periodo de ostracismo y desconocimiento. El reciente auge, producido por la apertura de mercados motiva que se deba considerar nuevamente el concepto de su utilización. Este documento representa parte de un esfuerzo por mejorar la comprensión del uso de este noble material. No es un instrumento para calcular. Lo es para saber por qué calcular. Participe en el debate al respecto y ayúdeme así a perfeccionar el texto.

EL ACERO ESTRUCTURAL COMO MATERIA PRIMA: CRITERIOS TEÓRICOS PARA SU UTILIZACIÓN

Ing German Urdaneta

GENERALIDADES En esta sección se analizan los diferentes comportamientos del material, señalando los tipos de perfiles que mejor se acoplan a tal funcionamiento, y definiendo los tipos de detalles que más se acomodan a tal acción. Cuando es posible se establece un orden de preferencias en los usos. La respuesta de los materiales ante la acción de las cargas se dá por la combinación de los efectos internos de las fibras que integran la pieza. Estas pueden extenderse (tensionarse) o acortarse (comprimirse), efecto que está condicionado a la posición de la fibra dentro de la sección transversal. Es decir que la forma geométrica que se define por la distribución del material en la sección transversal es el factor que genera el modo de reacción de la pieza estructural. Con excepción del cable, debido a su extrema flexibilidad, todos las secciones geométricas, sirven para responder a cualquier tipo de exigencia. Sin embargo la eficiencia de su utilización se puede reducir drásticamente para algunas de ellas, por lo cual no resulta aconsejable el uso indiscriminado de cualquier sección. Se estudiarán 4 tipos de exigencias, que representan los casos más frecuentes en la acción de la estructura de acero.:

Germán Urdaneta H

3 3 3 3

TRACCIÓN COMPRESIÓN FLEXIÓN FLEXOCOMPRESIÓN

Estado de Tracción CARACTERÍSTICAS DE LA EXIGENCIA. Ocurre tracción cuando todas las fibras de la sección están esforzadas uniformemente en alargamiento , para lo cual es necesario que la línea de acción de la carga coincida con el eje gravitacional de la pieza y que el material de la sección sea homogéneo.

Esta es una condición muy ideal, ya que con frecuencia se violan una o más de las condiciones. Lo más frecuente es que se presente una excentricidad debida al diseño de las conexiones o que exista una falta de homogeneidad de la materia prima ( variaciones de densidad, defectos, perforaciones, vacíos etc.) determinan un desalineamiento del eje gravitacional lo cual ocasiona flexiones o torsiones parásitas. Suponiendo que se dieron las condiciones ideales, la capacidad de la sección es independiente de la distribución geometrica (la forma) . Los parámetros de valoración son pues: • la cantidad de material disponible, medida con el Área [ A ] de la sección transversal, y Abril 2009

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• la capacidad resistente del material, que se mide con el esfuerzo admisible. [ s ] EJEMPLOS DE LA APLICACIÓN. Teniendo en cuenta la posibilidad de hacer uniones simples algunos casos en los cuales se presenta tracción simple serán: Elementos para izaje de cargas. Pendolones para puentes colgantes Cintas inferiores de cerchas. Templetes y contravientos. Arriostramientos.

Perfiles más adecuados. Los perfiles más adecuados son los que ofrecen el mayor grado de compacidad y simetría. En orden descendente de utilidad son: CABLES Como se producen por el trenzado de alambres, adquieren una mayor tenacidad y por consiguiente resistencia. Su forma cilíndrica es muy compacta, y las uniones que se pueden hacer con ellos permiten muy fácilmente la acción concéntrica. Como defectos, se tiene que el costo de la materia prima es más elevado, los accesorios usados para las conexiones son escasos y costosos. Por otra parte, como el cable se deforma ante el más mínimo amago de compresión, la estructura es muy flexible y puede resultar inestable. . VARILLAS El material actúa de forma similar al cable, aunque sin el beneficio de la resistencia agregada. Se consigue con mayor facilidad y los accesorios son más accesibles o se pueden adaptar con facilidad. Es mejor utilizar Germán Urdaneta H

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varilla lisa, para poder roscar, aunque su resistencia suele ser menor. Como en el caso del cable, la estructura resulta flexible. PLATINAS. Aunque no tienen simetría múltiple como el caso de las formas anteriores, el material está más disponible y las conexiones son mucho más sencillas. También la estructura resulta flexible, aunque el material puede tomar un cierto grado de compresión. TUBERÍA. Ofrece simetría múltiple, lo cual lo hace ventajoso. Se obtiene mayor tamaño geométrico con menos material por su forma hueca, lo cual lo hace mas liviano. Las conexiones son complejas, ya que se deben hacer con bridas, ojales o por aplastamiento de los extremos, métodos que pueden generar excentricidades. Por otra parte, la mayor rigidez de las piezas permite prevenir deformaciones originadas por efectos secundarios. La estructura resulta más rígida. Sin embargo, el material es relativamente más costoso que la varilla. ANGULARES El perfil angular es de simetría única, estando su centro de gravedad fuera de su configuración física. Por consiguiente, el diseño de uniones concéntricas es tarea muy elaborada. De otro lado, el material posee una forma que puede resistir algo de flexiones parásitas. Además, esta característica le dá una cierta rigidez lo que le permite absorber esfuerzos secundarios. El material es de común obtención y más bajo costo. Los detalles son más simples.

Perfiles Menos adecuados. También en orden descendente, se señalan los perfiles menos eficientes (Al hablar de efiAbril 2009

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ciencia, se debe entender la relación entre los kg. de peso y los kg. de carga resistida.) CANALES ESTRUCTURALES Aunque es más fácil obtener una mayor cantidad de material y su espalda plana facilita las conexiones, el manejo de los detalles es más exigente, ya que su centro de gravedad es excéntrico al perfil. Comparado con otras opciones es la forma más ineficiente, debido al alto riesgo de excentricidad. La estructura construida así es bastante rígida. PERFILES I O H, RIELES. Se puede obtener una buena cantidad de material, pero sin embargo las uniones son elaboradas, ya que se exige el uso de láminas (cartelas) lo cual produce sobrepesos y genera excentricidades. Dada la simplicidad de la exigencia y la calidad básica del metal, muy a menudo no se requiere tanta cantidad de material y por consiguiente no se justifica el uso del tipo de perfil. VARILLA CUADRADA, TUBERÍA CUADRADA O RECTANGULAR El principal obstáculo radica en la dificultad de conexión. Usarlo o nó depende de valores estéticos. El costo suele ser algo mayor. PERFILES COMBINADOS. En ocasiones, se pueden usar combinaciones de formas simples para acomodarse a las exigencias. Otras veces se impone esta solución por falta de disponibilidad de materiales. Como la forma no influye, solamente se trataría de obtener mayor rigidez, por excentricidad y facilidad de conexión. PERFILES EN LÁMINA DELGADA Son apropiados en cuanto se puedan conformar como las formas ventajosas, ya que es mas factible acercarse a la cantidad real de material que se necesita. Como las conexiones se pueden trabajar al conformar las piezas, estas se simplifican. Por otro lado, la necesidad de ensamblar piezas Germán Urdaneta H

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para producir las longitudes necesarias pone a trabajar soldaduras transversales lo cual no es conveniente.

Estado de Compresión CARACTERÍSTICAS DE LA EXIGENCIA. Se produce compresión cuando las fibras actúan en acortamiento. Si el estado es puro, ice. si no hay excentricidad en la aplicación y la pieza es compacta, de manera que no se presente pandeo, todas las fibras de la sección transversal se verían exigidas uniformemente. Sin embargo estas condiciones son prácticamente imposibles de alcanzar, por uno de estos efectos: 3 Las conexiones generan excentricidad 3 La carga es excéntrica 3 La longitud de la pieza es apreciable Cuando existe una o varias de las anteriores condiciones, se presenta el fenómeno del pandeo, que consiste en la flexión lateral de la pieza, lo cual introduce esfuerzos adicionales. Como estas acciones suceden en la misma sección transversal, pero en diferentes sitios de la misma, dependiendo de la posición relativa al centro de gravedad., las fibras trabajan desigualmente. La capacidad de soportar compresión de algunas de estas (las más esforzadas) se ve menguada, con la consecuencia de que la pieza en general pierde capacidad respecto a la condición ideal. La capacidad de la sección depende entonces de 3 la cantidad de material, 3 la calidad del mismo y 3 la forma intrínseca. Abril 2009

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El material debe estar lo más uniformemente distribuido posible a partir de su eje gravitacional. En este caso, la valoración de la forma se hace en función de la relación de la inercia [I ] que mide la cantidad de resistencia, así mismo como la aptitud para resistir y de la cantidad de material. [ A ] que a su vez mide la cantidad de material resistente. Por consiguiente, la relación de estos dos parámetros mide la capacidad potencial de resistir al giro, ya que se hace desaparecer el efecto de la cantidad de material. El parámetro de valoración es el radio de giro de la sección transversal, definido como sigue

r2 = I / A Este parámetro es de naturaleza matemática y no tiene una significación geométrica, como sí la tiene el baricentro. EJEMPLOS DE LA APLICACIÓN. Teniendo en cuenta la posibilidad de hacer uniones simples y adecuadas y de poder soportar lateralmente las piezas , algunos ejemplos de compresión simple serán 3 Columnas de edificios y soportes. 3 Pié de amigos (Puntales) 3 Cintas Superiores de cerchas. 3 Arcos simples. 3 Apuntalamiento PERFILES MÁS ADECUADOS. Los perfiles más adecuados son los que ofrecen el mayor grado de compacidad y simetría complementados con un radio de giro conveniente. En estructuras de acero, la relación de esbeltez optima, [8 = L/r ] es del orden de 80. En orden descendente, estos perfiles son: TUBERÍA La simetría completa del perfil lo hace más estable y por consiguiente más eficiente. Al tener una mayor rigidez, las piezas pueden prevenir deformaciones originadas por efectos secundarios, así la estructura resulta más rígida. Las conexiones adecuadas son por medio Germán Urdaneta H

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de bridas o unión de fricción. También funciona la soldadura. TUBERÍA CUADRADA O RECTANGULAR Su uso depende de valores estéticos. Las conexiones son más complejas, ya que tiene que ser del tipo brida o embone. Generalmente resultan más costosas que otras alternativas. PERFILES I O H, RIELES Excepto en el caso de los perfiles H más grandes (muy pesados) presentan desproporción entre las rigideces principales, lo cual los debilita o en su defecto obliga a usar apuntalamiento o riostras para igualar las acciones. Exige el uso de láminas (cartelas) para uniones lo cual produce sobrepesos y se pueden generar excentricidades. PERFILES EN LÁMINA DELGADA En cuanto se puedan conformar como tubos, son apropiados, ya que la forma es óptima y es mas factible acercarse a la cantidad real de material que se necesita. Como las conexiones se pueden trabajar al conformar las piezas, estas son más verdaderas. Constituye una opción muy apropiada para exigencias intermedias, sin embargo debe ejercerse cuidado con la condición de pandeo local. PERFILES COMBINADOS La ventaja de usar perfiles combinados se concentra en la utilización de materiales disponibles, mejorando la forma. Las formas deben asumir un contorno tubular o cuadrado, lo cual le dá la rigidez necesaria. Cuando se carece de perfiles del tamaño adecuado es una opción muy apropiada para solucionar exigencias de compresión. Los canales y angulares se pueden utilizar con muy buen resultado. PERFILES MENOS ADECUADOS También en orden descendente, se señalan los perfiles menos eficientes a compresión pura.

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CABLES, VARILLAS, PLATINAS ETC. Como materiales individuales no se deben usar, pues son muy esbeltos. Los cables no resisten compresión en absoluto.

como esto no es posible puesto que la sección debe ser integra, entonces será necesario transar por la sección que presente la menor cantidad posible de material en tal región.

ANGULARES El material es de común obtención, sin embargo su falta de simetría lo hace más susceptible al pandeo. Es muy poco rígido. Como en el caso del canal, es inconveniente si se usa aislado, pero sin embargo es muy bueno para combinar.

Es necesario contar con una cantidad mínima de material para asumir el esfuerzo complementario de corte (Cuando conviene que haya material para flexión, este es poco efectivo en corte, y viceversa.). Afortunadamente, el orden de magnitud de estos dos tipos de esfuerzo es bastante diferente, y por consiguiente es posible diseñar secciones que resistan adecuadamente el fenómeno.

CANALES ESTRUCTURALES En proporción a la rigidez que proporcionan, aportan una menor cantidad de material que otros perfiles y aunque su espalda plana facilita las conexiones, lo cual lo hace adecuado para conexiones soldadas, su falta de simetría es un factor muy grave en contra de su uso. Comparado con otras perfiles es más ineficiente, pues es menos rígido. Es inconveniente si se usa aislado, sin embargo es bueno para combinar.

Estado de Flexión. CARACTERÍSTICAS DE LA EXIGENCIA Ocurre flexión cuando la carga actúa en sentido normal al eje de la pieza, lo que ocasiona la defección de la pieza. Por esta razón, algunas fibras se alargan y otras se acortan. lo que obliga a que las fibras sufran en su longitud una fricción interna que mantiene entera la materia. Esta fricción, que se conoce como esfuerzo de cizallamiento o de corte, permite la transmisión efectiva de las fuerzas Las formas compactas, que ofrecen una cantidad significativa de material en las inmediaciones del centro de gravedad, resultan poco eficientes, ya que este material tiene muy poca oportunidad de ofrecer una capacidad apreciable de resistencia . La forma más eficiente será aquella que no tenga material en las cercanías del centro de gravedad. Pero Germán Urdaneta H

La capacidad de la sección depende pues de • la calidad del material, • la forma intrínseca y en menor grado • la cantidad del mismo. . La valoración de la forma se hace en función de la relación de la inercia [I] con la máxima dimensión del material en el sentido normal al eje de flexión [2c] y la cantidad del mismo [A]. El parámetro de valoración es el Módulo de Sección, expresado como

[S= I / c ]. EJEMPLOS DE LA APLICACIÓN Dentro de la muy amplia gama de acciones que se generan dentro del estado de flexión, las más frecuentes son: 3 3 3 3 3

Vigas de pisos y paredes Vigas de cubierta (correas) Postes, mástiles eco. Aleros, balcones Vigas de pórticos.

PERFILES MÁS ADECUADOS. La limitación en la disponibilidad de materiales ha llevado a la concepción de formas alternas que operan con mucha eficiencia y muy bajo costo.(estructuras de alma abierta o celoAbril 2009

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sía). Sin embargo, es necesario manejar con sumo cuidado el comportamiento local de las piezas, ya que no hay reglamentos adecuados. PERFILES I Ó H, RIELES La principal virtud de este tipo de perfiles es la conformación alma-aletas. Como casi nunca se presenta flexión en un solo sentido, es necesario que no exista un desbalance notorio entre las propiedades resistentes en los dos sentidos principales. Así, los perfiles más cuadrados son los mejores, pero también son los más pesados. La misma forma los hace muy fáciles de conectar, pudiéndose usar tornillos o soldadura. CANALES ESTRUCTURALES. La forma general le imparte capacidad de resistencia, en el sentido del eje . Sin embargo, la asimetría transversal del perfil lo hace ineficiente por lo que resultan adecuados únicamente para exigencias moderadas, o en condiciones en las cuales es posible contar con Arriostramientos laterales apropiados. Se puede conectar fácilmente con tornillo o soldadura, pero es necesario tener en cuenta el "centro de corte" para aplicar la carga.

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CABLES, VARILLAS, PLATINAS ETC. La absoluta falta de rigidez hace que no se deban usar en forma individual. Debe anotarse que los cables no resisten flexión en absoluto. Como parte de conjuntos más complejos, aportan capacidad en tracción, que puede resultar atractiva. USO DE PERFILES COMBINADOS Ante la limitación tradicional en la disponibilidad de materiales, esta ha sido la mejor opción de solución. La tipología del alma abierta ha dominado hasta ahora el campo tecnológico, y se ha alcanzado un desarrollo muy apreciable, usando tácticas estructurales autóctonas. Dentro de esta tipología, las formas asumen una configuración Alma-Aleta, lo cual le dá la eficiencia necesaria. Cuando es necesario satisfacer exigencias severas(puentes, grandes luces), se puede recurrir a perfiles de lámina soldada, que reemplazan la tecnología tradicional. Los nuevos desarrollos, generados por la apertura económica están introduciendo con paso lento pero seguro la tipología del alma llena.

PERFILES MENOS ADECUADOS. TUBERÍA Si bien es cierto que la simetría del perfil le resta eficiencia, se reducen considerablemente las necesidades de arriostre lateral. Por esta razón la estructura resulta más rígida. Las conexiones resultan complejas, aunque la apariencia general es más agradable. ANGULARES En el país existe la cultura del ángulo, considerándose que una estructura construida con este material es “buena”...siempre y cuando se compare con otra hecha con varillas. Sin embargo, su forma intrínseca, muy asimétrica, es muy ineficiente. Usado por si solo, es ineficiente inconveniente. Combinado con otros ángulos o perfiles, es un excelente recurso.

USO DE PERFILES EN LÁMINA Son apropiados en cuanto se puedan conformar como Alma-Aleta. El uso de la lámina a discreción hace que sea más factible acercarse a la cantidad real de material que se necesita. Las conexiones son más versátiles, pues se pueden trabajar al conformar las piezas. Es prudente asesorarse de un conocedor para su cálculo, pues el comportamiento es especial.

Estado de Flexocompresión CARACTERÍSTICAS DE LA EXIGENCIA. Ocurre el fenómeno cuando una columna, o pieza de compresión, hace parte de una estructura rígida, recibiendo flexión como parte de las acciones de vínculo.

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La reducción de capacidad producida por la flexión se acentúa por la compresión vulnerable al pandeo. Es por esto que las formas asimétricas son ineficientes.

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otros documentos bajo el seudónimo de licitar.

Y por favor, retroaliménteme.

La capacidad de la sección depende entonces de • la cantidad [ A ] de material, • la calidad [ s ] del mismo y • la forma intrínseca. [r 2 = L/A)] Las mejores formas son las que tienen la menor cantidad de material hacia el centro (alma y aletas ) pero que a la vez dan una doble simetría. La valoración de la forma se hace según la conducta dominante, para saber si es viga-columna (predomina flexión) o columnaviga (predomina compresión) EJEMPLOS DE LA APLICACIÓN. 3 3 3 3

Vigas y columnas de pórticos Miembros de arcos rebajados Postes y mástiles riendas. Partes de cubiertas laminares.

PERFILES MÁS ADECUADOS La selección tanto de los perfiles más adecuados como de los menos aptos, sigue los parámetros de la exigencia dominante, acentuada por la combinación de esfuerzos. Si le llamó la atención este texto, lo invito a consultar estos otros, también ubicados en este sitio Web: • Introducción al uso del acero.doc • Alternativa al diseño.doc • Desarrollo histórico del Acero.doc • Paralelo acero concreto.doc • Tipologia del acero.doc • Producción del acero.doc Además le invito a visitar el sitio www.pdfcoke.com en el cual he puesto algunos

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