ESTRUCTURAS METÁLICAS

6.2.- ESTRUCTURAS METÁLICAS

Las estructuras metálicas son una de las aplicaciones de ingeniería que más acero consume. En España se usa este tipo de estructura en naves industriales y edificios singulares, sin embargo, no es habitual su utilización en obras de edificación.

Para facilitar el proyecto y ejecución de estructuras metálicas existen herramientas normativas que ayudan y amparan tanto a proyectistas como a constructores. Éstas suponen un marco, pero no un límite, ya que existen casos en los que no son aplicables y otros en los que se pueden suplir con un estudio en profundidad del problema concreto.

La primera de éstas es la Instrucción de Acero Estructural EAE-2011, de carácter eminentemente técnico, adopta un enfoque prestacional en línea con el Código Técnico de la Edificación (CTE). Paralelamente a la normativa española existen normas europeas, que buscan compatibilizar las industrias de la construcción en toda Europa y permitir que todos los profesionales de toda la Unión Europea puedan emplear los mismos materiales, técnicas constructivas y métodos de cálculo, independientemente de los países de origen y destino. Con este propósito existen normas europeas que afectan en mayor medida al proyecto, ejecución y control de estructuras: Eurocódigo 3 “Estructuras metálicas” y Eurocódigo 4 “Estructuras mixtas”.

6.2.1.- CARACTERÍSTICAS DE LOS ACEROS ESTRUCTURALES

La Instrucción EAE rige todo el proceso constructivo de una estructura metálica, por lo que debe establecer las características mínimas que han de tener los aceros que se desean usar con fin estructural.

Para poder establecer las propiedades de los aceros estructurales se emplean ensayos comunes como el ensayo de tracción, resiliencia o composición química.

Ensayo de tracción

 El ensayo de tracción es uno de los más utilizados para caracterizar los aceros. Permite obtener la curva tensión-deformación del acero que aporta importante información sobre el comportamiento mecánico del metal.

La EAE establece un diagrama de tensión-deformación genérico del acero en el que se definen las siguientes tensiones y deformaciones singulares:

⦁    fu: tensión unitaria máxima que resiste el acero
⦁    fy: límite elástico, se define como la tensión unitaria correspondiente a una deformación remanente del 0,2 por 100
⦁    Ɛu: deformación remanente concentrada de rotura
⦁    Ɛmax: deformación correspondiente a la tensión unitaria máxima
 
Con los resultados de los ensayos de tracción es posible catalogar el acero, lo que se hace en función de valores mínimos de límite elástico. Adicionalmente se establecen rangos de fu para cada valor mínimo de límite elástico.

Por otro lado, para garantizar un funcionamiento dúctil de las estructuras, se establecen las siguientes condiciones que los aceros han de cumplir:

 ⦁    ƐuImage 0,15
⦁    fu / fy Image 0,10
⦁    Ɛmax Image 0,15 Ɛy ; siendo Ɛy = 0,002 + fy /E

Resiliencia

La resiliencia mide la facilidad de los aceros para sufrir rotura frágil causada por impacto. Este parámetro tiene gran importancia ya que algunos aceros presentan extrema fragilidad ante cargas dinámicas a bajas temperaturas. El valor de resiliencia del acero se determina mediante el ensayo de flexión por choque del péndulo de Charpy.

6.2.2.- TIPOS COMUNES DE ACERO ESTRUCTURAL (EAE)

Existen multitud de tipos de acero y prácticamente todos pueden ser utilizados con fines estructurales, sin embargo, sólo un cierto grupo de ellos se describe en la norma EAE debido a que son, con diferencia, los más comúnmente empleados.

También es posible la aplicación de aceros “no comunes” con fines estructurales, por ejemplo, los tornillos, que son de acero aleado, los cables, o las barras roscadas. Sin embargo, éstos deben ser tratados con normativa y criterios específicos y no como el acero estructural recogido en la EAE. El acero estructural más habitualmente empleado se corresponde con acero bajo en carbono, dúctil, tenaz y soldable.

Para poder identificar correctamente cada uno de los tipos de acero para estructura metálica que se pueden emplear, se establece una designación del mismo que lo identifica de manera inequívoca:

-         Acero laminado en caliente: Se trata del acero más básico, es bajo en carbono, no aleado y sin características especiales, no de resistencia mecánica, ni de resistencia a la corrosión y con una microestructura normal de ferrita y perlita. La denominación de este tipo de aceros se compone de la letra S, el límite elástico y, a continuación, un código identificativo de la resiliencia. Ej. S 275 J0

-         Acero con características especiales: Este grupo se incluyen aceros similares a los laminados en caliente pero que tienen sus características mejoradas por medio de tratamientos térmicos o por la inclusión de pequeñas cantidades de aleante. En general presentan mejores propiedades mecánicas que los aceros laminados en caliente, aunque, por otra parte, requieren de un proceso de fabricación más complejo. Se tiende cada vez más a fabricar y a emplear este tipo de acero, con mayor valor añadido y mejores propiedades, en vez de usar acero laminado en caliente, peor y no mucho más barato de producir.

o   Acero normalizado de grano fino para construcción soldada. Se designa mediante la letra S, el límite elástico y el tipo N o NL, donde N hace referencia a acero normalizado y la L a mejor resiliencia a bajas temperaturas. No se hace referencia explícita a la resiliencia ya que N equivale a un grado K2 y NL a un K3. 

o   Acero laminado termomecánico de grano fino para construcción soldada. Su designación, al igual que todos los aceros estructurales, comienza con la letra S, a continuación, el límite elástico y por último el tipo, M o ML, donde la M hace referencia a acero de laminado termomecánico y la L a una buena aptitud a bajas temperaturas. Igual que en el acero normalizado de grano fino, la resiliencia está vinculada a la denominación, M corresponde con K2 y ML con K3.

o   Acero con resistencia mejorada a la corrosión atmosférica. La designación de estos aceros se basa en la de los laminados en caliente y se diferencia de estos únicamente en que se le añade una W al final, como por ejemplo S 235 J0W.

o   Acero templado y revenido. Sólo se contempla una resistencia, 460 N/mm², tres subtipos,Q, QL y QL1, en los que Q significa templado y revenido y L y L1 son indicativos de mejores grados de resiliencia. Las equivalencias en resiliencia son Q con J2, QL con K3 y QL1 con K4.

-         Acero conformado en frío: Su proceso de conformado se realiza en frío, bien por laminación en frío o por plegado, lo cual dota al acero de características especiales. Se ueden realizar conformados en frío sobre el acero laminado en caliente, el normalizado y el de laminado termomecánico. Para denominarlo se les añade una H al final de la designación. A modo de ejemplo S 275 J0H y S 420 MLH.

Nomenclatura del acero estructural

  

6.2.3- PERFILES

  

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La fabricación de elementos de acero como vigas y pilares, no se hace a medida, sino que se fabrican por laminación con forma de perfiles normalizados de sección constante y en una longitud de 6 o 

120 m.

Los perfiles se pueden clasificar según el método de fabricación, laminación en caliente o conformados en frío y por su forma, en H, en L, en I, etc. La técnica de plegado en frío a partir de cierto espesor y en geometrías complejas deja de ser competitiva y es más provechoso laminar en caliente. Por tanto, en perfile grandes, se emplea el laminado en caliente y, en los de pequeño tamaño, se puede emplear el conformado en frío.

Los perfiles se organizan por series, es decir, dada una serie, todos los perfiles de ella tienen la misma forma geométrica, aunque con distinto tamaño. Las dimensiones de los perfiles son proporcionales entre sí, por ejemplo, toda la serie HEB tiene una relación alto/ancho, 1/1. Por tanto, para describir un perfil, sólo es necesario indicar el nombre de la serie y sus dimensiones definitorias que, por convenio, han de estar siempre expresadas en milímetros. Por ejemplo, en los perfiles en I, en H y en U, sólo es necesario indicar la altura para definir su geometría, ya que el resto de dimensiones son proporcionales:

Perfiles de sección abierta laminados en caliente: Los perfiles más sencillos de fabricar por laminación son los de sección abierta, es decir, que no tienen huecos en su interior. Esta geometría permite, además, realizar las operaciones de corte, soldadura y pintura, de un modo sencillo.

-         Perfiles en I. Su aplicación típica es la de vigas ya que, empleando poco material, presentan una gran inercia en uno de sus ejes. Las partes inferior y superior de estos perfiles se denominan alas y el elemento vertical que las une, alma. Dentro de los perfiles en I, los normalizados son el IPE y el IPN, el primero de alas paralelas y el segundo con alas inclinadas.

-         Perfiles en H. Se hace la distinción entre perfiles I y H porque, aun teniendo formas similares, los perfiles en H tienen mayor área para la misma altura, por lo que tienen gran utilidad para ser empleados como pilares. Los perfiles normalizados son el HEA, HEB y HEM, donde cada uno tiene mayor sección que el anterior para el mismo canto.

-         Perfiles en U. Existen los UPN, los UPE y los UAP, siendo el primero de alas inclinadas y el resto de alas paralelas. Estos perfiles rara vez se emplean directamente como elementos de soporte, sino que suelen ensamblarse con otros para formar estructuras.

Los perfiles en I, en H y en U se designan todos del mismo modo, con el nombre del perfil seguido de su altura en milímetros, como por ejemplo IPN 160, HEB 120 y UPE 220.

-         Perfiles en L. Se denomina también angular, existiendo dos variantes, el de lados iguales y el de lados desiguales. Estos perfiles tienen muchas aplicaciones debido a que su geometría aporta gran facilidad de montaje. Los perfiles en L se designan mediante la letra L, la altura, el ancho y el espesor, separados por “x” y expresados en milímetros. Ejemplos: L 200x200x15; L 200x100x10.

En el grupo de los perfiles laminados en caliente existe un tipo que se emplean como medios auxiliares en la construcción de estructuras metálicas. Se trata de los perfiles circular, cuadrado y pletina rectangular. A este grupo se podrían sumar las chapas, que también se emplean en el ensamblado de estructuras. La nomenclatura de este tipo de perfiles se compone de un símbolo definitorio de la geometría, seguida de las dimensiones definitorias, en milímetros, separadas por un signo “x”. Ejemplos: ⏀20; ≠25; ≠70x10.

En cuanto a las chapas, se distingue chapa fina, de menos de 3 mm de espesor, media, entre 3 y 4,75 mm y gruesa, si el espesor es mayor de 4,75 mm. Las chapas se nombran refiriendo el tamaño del panel y su espesor. Por ejemplo, 6000x1000x2,5.

Perfiles de sección abierta conformados en frío: Estos perfiles se fabrican plegando chapa para obtener la geometría deseada, muy variada, aunque siempre condicionada por los radios de doblado, que han de ser mayores a medida que la chapa tiene mayor espesor. Se emplean generalmente en elementos estructurales secundarios, como correas, cerramientos, barandillas, etc. Dentro de los perfiles conformados existe un grupo normalizado, perfil en L, LF, en forma de U, UF, con forma de C, CF, perfil en omega, OF y perfil en Z, ZF. La nomenclatura se compone por el nombre del perfil y sus dimensiones definitorias, en milímetros, diferentes en cada perfil.

Existe un grupo de productos conformados que, aunque no poseen responsabilidad estructural, suelen estar presentes en gran parte de las estructuras, se trata de las chapas y paneles conformados. Su uso más habitual es el de cubrición o aislamiento externo, por lo que se usan en tejados y fachadas. Se fabrican plegando chapas con formas geométricas diversas y esto permite dotar a los paneles de mayor momento de inercia, con lo que resisten mejor los esfuerzos de flexión.

Las chapas tienen una limitación, apenas aíslan térmicamente, por lo que, cada vez más, se emplean paneles tipo sándwich en su lugar. Estos paneles se componen de dos chapas conformadas que suelen presentar un galvanizado y lacado. El núcleo del panel se compone de un aislante, por ejemplo, espuma de poliuretano. Estos paneles son sencillos de colocar y tienen buena estética, por lo que su empleo es cada vez más frecuente, no sólo en instalaciones industriales, sino también en edificios públicos y viviendas.

Perfiles huecos: Los perfiles se pueden fabricar mediante dos técnicas, por laminado en caliente o por conformado en frío. Obviamente, cuanto mayor es el espesor de la pared de los perfiles, más adecuado es el laminado en caliente y, en espesores pequeños, compensa el conformado en frío.

El conformado en frío de estos perfiles se puede hacer de dos maneras, enrollando chapa helicoidalmente, que luego se suelda en continuo, o doblando longitudinalmente la chapa y realizando una única soldadura longitudinal final que cierre el perfil. Por tanto, los perfiles en frío son fácilmente distinguibles de los realizados en caliente, ya que estos últimos deben presentar alguna soldadura que cierre la sección.

Los perfiles huecos que más se emplean son los circulares, los cuadrados, los rectangulares y los elípticos. Su designación debe incluir las dimensiones exteriores y el espesor de pared expresadas en milímetros.

Esta tipología se está empleando cada vez más en estructuras metálicas, sobre todo por estética, buscando huir del aspecto industrial que ofrecen los perfile I y H. Además, es más difícil que acumulen suciedad que los perfiles elásticos.

Otros perfiles: Hay ocasiones en las que los perfiles normalizados no son la mejor solución para una determinada estructura metálica. En estos casos se emplean perfiles no normalizados que provienen de diversos orígenes. Una forma habitual de obtener nuevos perfiles es modificando los perfiles normalizados para ajustarlos a las necesidades. Ejemplos de esto son los pilares empresillados, obtenidos a partir de dos UPN unidos con pletinas, y las vigas alveoladas, fabricadas a partir de un perfil en I que se corta y se vuelve a unir con un desplazamiento entre ambas mitades.

También es frecuente la fabricación de vigas armadas, construidas con chapas que se sueldan entre sí. Esta técnica es muy empleada en perfiles de geometría variable que no pueden ser fabricados por laminación o conformado.