6.- ACEROS PARA CONSTRUCCIÓN
6.- ACEROS PARA CONSTRUCCIÓN
6.1.- INTRODUCCIÓN
De todos los materiales metálicos, el más empleado es el
acero. Se utiliza para construir estructuras metálicas y para dar resistencia a
tracción al hormigón, constituyendo el hormigón armado. Se usa también en el
ámbito ferroviario, tanto en las vías como en los propios vehículos. No es
posible detallar todas las aplicaciones de este material, pues existen un
sinfín de aplicaciones menores, aunque de gran importancia, tales como
carpinterías metálicas, tuberías de instalaciones, cubiertas, herramientas, encofrados,
maquinaria, etc.
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 Instrucciónde 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: Eurocódigo3 “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:
o
fu: tensión unitaria máxima que
resiste el acero
o
fy: límite elástico, se define como
la tensión unitaria correspondiente a una deformación remanente del 0,2 por 100
o
Ɛu: deformación remanente
concentrada de rotura
o
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:
o
Ɛu ≥ 0,15
o
fu / fy ≥ 0,10
o Ɛmax ≥ 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
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: Φ20; ≠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.
6.3.- ACEROS PARA HORMIGÓN ARMADO Y PRETENSADO
Es conocido que el hormigón resiste a tracción esfuerzos muy
limitados. Para compensar esta deficiencia suele asociarse con el acero
formando el hormigón armado. De este modo los esfuerzos de tracción los soporta
el metal, mientras que los de compresión los resiste el hormigón.
El hormigón pretensado avanza un paso más, no se limita sólo
a recoger las tracciones que el hormigón no es capaz de resistir, sino que se
tracciona el acero para someter al hormigón a una precompresión. De este modo,
cuando se aplican las cargas de servicio, el hormigón está sometido a fuertes
esfuerzos de compresión, que son bien resistidos, y a bajos o nulos niveles de
tracción, que soportaría mal.
Las barras de acero se unen entre sí dando como resultado
una jaula de armadura. En el caso de hormigón armado esta armadura no tiene
precarga, por lo que se habla de armadura pasiva, sin embargo, en el
pretensado, por tener carga, se denomina armadura activa.
El acero que se emplea en hormigón armado y pretensado debe
cumplir las normas específicas de cada producto. Sin embargo, para el uso
estructural se puede emplear la instrucción EHE, que recoge las condiciones
mínimas exigibles para el uso de acero en hormigón armado y pretensado.
6.3.1.- ARMADURAS PASIVAS
Los elementos de acero empleados como armaduras pasivas se
fabrican mediante laminación en caliente con un posible tratamiento térmico o
termomecánico. Además, pueden tener parte de deformación en frío sin llegar a
reducciones de sección mayores del 10%. A continuación, se describe cada uno de
los productos que puede ser empleado en la construcción de armaduras.
Barras corrugadas: Las barras de acero que se emplean
en el hormigón presentan geometría cilíndrica con resaltos en su superficie
lateral. Estos resaltos se denominan corrugas y pueden ser
perpendiculares u oblicuos respecto al eje de la barra. Existen además dos
resaltos longitudinales, conocidos como aletas, que dividen la superficie
lateral de la barra en dos mitades en las que se disponen las corrugas.
Las barras corrugadas se suministran de dos modos, en
longitud de 120 m, u opcionalmente, en el caso de diámetros menores de 12 mm,
en rollo. Además, en el mercado sólo hay una serie de diámetros nominales para
barras establecidos por la EHE:
6 – 8 -10 – 12 – 14 –
16 -20 -25 -32 y 40 mm
Nomenclatura de las barras corrugadas. Las barras corrugadas
que se pueden emplear en hormigón armado tienen una designación simbólica que
se construye siempre de la siguiente manera:
Símbolo “∅”
Diámetro
nominal en mm
B, símbolo identificativo de
acero para hormigón armado
Límite elástico, sólo se fabrican
barras de 400 y 500 N/mm2
Tipo, S, soldable, o SD, soldable
y con características especiales de ductilidad
Norma UNE correspondiente
Ejemplo: ∅16 B 500 SD UNE
36065:2000
Con el objetivo de facilitar la identificación visual del
tipo de acero, se asigna a cada uno de los tipos de acero una disposición
diferente de corrugas. Los tipos B400 y B500S presentan un lado común con
corrugas a 70º y otro lado definitorio del tipo de acero.
Existe más información codificada en el corrugado de las
barras. Se trata de la identificación del país de origen y fabricante de
cualquier barra corrugada. Esta información se establece empleando un código
numérico extraído mediante unas corrugas más gruesas que se sitúan al comienzo
de la barra, tal y como puede verse en la figura.
Cada tipo de barras corrugadas tiene unos parámetros
resistentes mínimos garantizados por el fabricante que se recogen en la
siguiente tabla.
Mallas electrosoldadas: Las mallas electrosoldadas
son retículas de barras montadas en taller que se emplean como armadura en
superficies planas como muros, forjados, etc. Cada vez se emplean más y
sustituyen a los montajes manuales en todos los campos donde es posible.
Se componen básicamente de un conjunto de barras
longitudinales y transversales unidas entre sí por una soldadura de montaje.
Este proceso de fabricación está completamente automatizado, de ahí su
economía.
Para definir las mallas electrosoldadas, es preciso
concretar los diámetros de las barras longitudinales y transversales, la
separación entre las mismas y la longitud y anchura del panel total que
conforman. Cuando las mallas han de cubrir una extensa superficie, se deben
colocar de modo que una se solape sobre la otra una cierta longitud, para que
de este modo, se puedan transmitir los esfuerzos entre las barras
transversales.
Nomenclatura de las mallas electrosoldadas. La
designación de una malla electrosoldada se compone de:
Las letras ME, distintivas del
producto (Malla electrosoldada).
Las separaciones entre elementos
longitudinales (sl) y elementos transversales (st), expresadas en centímetros y
unidas por el signo x.
Distintivo del tipo de ahorro
utilizado en el panel, de acuerdo con el siguiente código:
Con ahorro
estándar A
Con ahorro no estándar E
Sin barras de
ahorro Ningún símbolo
El símbolo ∅seguido de los diámetros de los elementos longitudinales (dl) y
transversales (dt), expresados en milímetros y separados por un guión. En las
mallas dobles el símbolo ∅irá seguido
de la letra D.
Designación del tipo de acero,
B400S, B500S, B400SD, B500SD y B500T.
La longitud (i) y la anchura (b)
del panel, expresadas en metros.
Referencia a la norma de producto, UNE 36092:1996.
En la siguiente tabla se desarrolla un ejemplo de malla electrosoldada
estándar.
Armaduras básicas electrosoldadas en celosía: Las
armaduras electrosoldadas en celosía se componen de un elemento longitudinal
superior, dos elementos longitudinales inferiores, y elementos transversales de
conexión que forman la celosía. Todas las barras con misión resistente deben
ser corrugadas, aunque puede haber elementos de montaje que emplean barra lisa.
Estas armaduras se construyen automáticamente con maquinaria
que utiliza soldadura por resistencia. Al igual que en el caso de las mallas
electrosoldadas, las máquinas suelen estar abastecidas por rollos de corrugado.
La razón principal de la existencia de las armaduras básicas como producto
comercial es su empleo en la fabricación de viguetas y semiviguetas, elementos
que son de uso universal en la construcción de forjados de hormigón armado.
Fibras metálicas para hormigón: El componente
metálico del hormigón armado suele estar constituido por elementos alargados,
como barras corrugadas, que son los encargados de resistir las tracciones. Es
posible conseguir un efecto similar si al hormigón se le mezcla una serie de
pequeñas fibras metálicas. Estas fibras consiguen mejorar la cohesión de las
partículas que componen el hormigón, aumentando así la resistencia a tracción
de éste.
La longitud habitual de las fibras oscila entre 30 y 40 mm.
Su espesor es de 0,5 a 0,8 mm, si presentan sección circular o similar, y desde
0,25 mm hasta unas decenas de micras, si están constituidas por bandas, en cuyo
caso presentan un ancho del orden de 1 a 2 mm.
Existen varios fabricantes de fibras para hormigón, donde
cada uno plantea diseños diferentes. En algunos casos, las fibras son un
subproducto de otras operaciones, como en el caso de las fibras Harex que se
obtienen de viruta de fresado. Sin embargo, es más frecuente que las fibras se
obtengan directamente a partir de un acero adecuado, trefilado (Slidur),
inoxidable (dramix), galvanizado, fundición, etc.
6.3.2.- ARMADURAS ACTIVAS
Las armaduras activas son los elementos de acero
empleados en el hormigón pretensado. Su misión es la de soportar la
carga de tracción durante toda la vida útil de la pieza de hormigón. Como deben
soportar altas cargas, se emplean aceros de alto límite elástico, superior a
1400 MPa, para lo cual se suelen utilizar aceros medios o altos en carbono con
microestructura martensítica o perlítica.
Los alambres de pretensado son la unidad fundamental de
cordones y tendones. Estos alambres se fabrican a partir de alambrón laminado
en caliente de un acero de composición adecuada. Para transformar el alambrón
en alambres de sección adecuada se emplea el trefilado, en el cual se
reduce el diámetro mediante sucesivas pasadas por una matriz cónica. Tras
ajustar el diámetro del alambre se trenza el cordón y finalmente, se realiza un
tratamiento termomecánico, como un temple seguido de revenido.
Existen diversas armaduras activas disponibles para su
empleo en estructuras de hormigón pretensado, distinguiéndose entre alambres,
barras, cordones y tendones. Existe normativa sobre la calidad de los aceros y
en el caso de los alambres y cordones, también sobre la geometría. Así podemos
distinguir:
-
Alambre: Producto de sección maciza,
procedente de un estirado en frío o trefilado de alambrón que normalmente se
suministra en rollo.
-
Barra: Producto de sección maciza, que se
suministra solamente en forma de elementos rectilíneos.
-
Cordón de 2 ó 3 alambres: Conjunto
formado por dos o tres alambres de igual diámetro nominal d, todos ellos
arrollados helicoidalmente, con el mismo paso y el mismo sentido de torsión,
sobre un eje ideal común.
-
Cordón de 7 alambres: Conjunto formado
por seis alambres de igual diámetro nominal d, arrollados helicoidalmente, con
igual paso y en el mismo sentido de torsión, alrededor de un alambre central
recto cuyo diámetro estará comprendido entre 1,02 d y 1,05 d.
-
Tendón: Conjunto de armaduras paralelas
de pretensado que, alojadas dentro de un mismo conducto denominado vaina, se
consideran en los cálculos como una sola armadura.
Los alambres y
cordones son armaduras activas estandarizadas y recogidas en la instrucción
EHE. Se nombran con la letra Y, identificativa de acero para hormigón
pretensado, seguida de la tensión máxima garantizada y finalmente una
referencia al número de alambres que componen el elemento, una C en el caso de
un único alambre y S2, S3 y S7 para cordones de 2,3 y 7 alambres.
La barra de pretensado es un producto de sección maciza que
se suministra solamente en forma de elementos rectilíneos y que, además suele
tener sus extremos roscados para enlazarlas con el resto de la estructura
mediante tuerca y tornillos.
Por otro lado, los tendones de pretensado se definen como un
conjunto de cordones estandarizados que se suministran de manera conjunta, muchas
veces con algún elemento que impide su descolocación como por ejemplo una vaina
plástica. En la práctica, cada fabricante posee modelos diferentes de tendones
de pretensado con configuraciones similares a las de los cables.
Generalmente, por el tipo de acero con el que están
construidas las armaduras activas, es imposible su soldadura. Además, por su
escasa plasticidad, no es recomendable su doblado, aunque es posible en cierta
medida.
Las armaduras activas deben cumplir la misión de introducir
una carga en la zona adecuada del hormigón. Esta carga ha de permanecer durante
toda la vida útil por encima de un umbral mínimo. Como garantía se realizan
ensayos de tracción, relajación, fatiga y composición química, según la norma
EHE, deben cumplir los siguientes requisitos fundamentales:
o
fy = 0,88 – 0,95 fmax
o
Ɛmax > 3,5 %
o
Tras el ensayo de tracción, la barra ha de
presentar estricción a simple vista
o
La relajación a 1.000 horas a 20±1ºC y para una tensión
inicial igual al 70 % de fmax no será superior al 2 %
o El módulo
elástico ha de ser garantizado por el fabricante con una tolerancia de ±7 %.
6.4.- CABLES
6.4.1.- CARACTERÍSTICAS GENERALES
Se le da el nombre de cable a un conjunto de alambres
arrollados en espiral de modo que constituyan un todo más o menos grueso y apto
para resistir esfuerzos, fundamentalmente de tracción.
Los componentes elementales de un cable metálico son los alambres,
los cuales se arrollan helicoidalmente para formar cordones y éstos a su
vez, se arrollan para dar lugar a los cables. En muchos casos existe un
núcleo central sobre el que se arrollan los cordones, el alma. Esta
parte interior puede ser un cordón metálico, aunque con mucha frecuencia, se
trata de un compuesto textil o también sintético.
En los cables se puede distinguir el diámetro nominal y el
real. El real se corresponde con el de la circunferencia que circunscribe al
cable, sin embargo, para los cálculos mecánicos, se emplea el diámetro nominal,
que es el diámetro de un alambre circular macizo de sección equivalente.
Los alambres, cordones y cables se fabrican a partir de
alambrón laminado en caliente al que se le somete a una serie de procesos hasta
acabar convertido en un cable: trefilado, preformado, trenzado y terminación
superficial.
-
Trefilado: El trefilado es el proceso en
el que se reduce la sección de un alambre al hacerlo pasar a través de un
orificio cónico situado en una herramienta de nominada hilera o dado.
-
Preformado: El preformado es un proceso
que consiste en deformar los alambres dándole la forma helicoidal que van a
tener en el cable terminado. Los cordones también sufren este tratamiento, de
modo que tanto los cordones como los alambres están en una posición de
“descanso” en el cable, lo cual minimiza las tensiones internas.
-
Trenzado: El trenzado consiste en
enrollar varios alambres para dar lugar a cordones que a su vez se enrollan en
torno a un alma para formar un cable. Además, debido al preformado, los cables
y cordones, tras ser trenzados, presentan poca tendencia a deshacerse.
-
Terminación superficial: Para aumentar la
resistencia a la corrosión del cable se suele aplicar una terminación
superficial. Los procedimientos más comunes son:
o
Galvanizado: apropiado para cables estáticos o
relativamente estáticos, sometidos a la acción de un medio agresivo como
humedad, etc.
o
Lubricado: apropiado para la mayoría de las
aplicaciones. Combina propiedades anticorrosivas con lubricantes. Existen
distintos tipos de lubricación según el uso del cable.
6.4.2.- CABLES ESTRUCTURALES
Los cables estructurales, por norma general, se fabrican en
acero alto en carbono y se les dota de una microestructura perlítica, bainítica
o martensítica. Como se ha expuesto, un cable está formado por tres componentes
básicos, los alambres; los cordones, resultado del arrollamiento de alambres, y
el alma, sobre el que se enrollan los cordones. Empleando este esquema surgen
muchas posibilidades distintas de fabricación constituyendo el abanico de
tipologías de cable existentes.
Tipos de cordones: El diseño de los cordones afecta
directamente a las propiedades de los mismos, destacando, entre todas, la
resistencia a la fatiga y a la abrasión. Como regla general, un cable que tiene
cordones formados por una pequeña cantidad de alambres grandes, es muy
resistente a la abrasión y poco resistente a la fatiga. En cambio, un cable del
mismo diámetro nominal pero construido con cordones compuesto de muchos
alambres pequeños, presenta menos resistencia a la abrasión y mayor resistencia
a la fatiga.
Las construcciones básicas de los cordones empleados en
cables estructurales se muestran a continuación:
-
Cordón común de capa simple: Formado por
una única capa de alambres, es el habitualmente empleado en los cordones de los
tendones de pretensado para hormigón.
-
Cordón Seale: Es esta construcción, en la
que se combina una capa de alambre fina con una última capa de alambres de gran
número, se consigue una gran resistencia a la abrasión. La composición más
común es 1+9+9= 19 alambres en total.
-
Cordón Filler: Se distingue por tener,
entre dos capas de alambres, hilos más finos que rellenan los espacios
resistentes entre las mismas. Este tipo de cordón se utiliza cuando se
requieren cables de mayor sección metálica y con buena resistencia al
aplastamiento.
-
Cordón Warrington: Se caracteriza por
tener una capa exterior formada por alambres de dos diámetros diferentes,
alternando su colocación dentro de la corona.
-
Cordón Warrington Seale: Es una
combinación de las mencionadas anteriormente que conjuga las mejores características
de ambas: la conjunción de alambres finos interiores aporta flexibilidad,
mientras que la última capa de alambres relativamente gruesos aporta resistencia
a la abrasión.
Tipos de alma: La principal función del alma de los
cables es proveer apoyo a los cordones para que se mantenga durante la fase de
servicio de éste la posición y la geometría circular del cable y los cordones.
La elección del alma del cable tiene un gran efecto en las prestaciones del
cable.
Las almas más comunes son las fibras, que pueden ser de dos
tipos, fibras sintéticas (polipropileno) y fibras naturales (sisal).
Al alma de fibra se le aplica un lubricante durante el
proceso de fabricación, lo que ayuda al cable a mantener la lubricación
adecuada contra el desgaste, el cual está ocasionado por el frotamiento interno
entre alambres y entre cordones. Adicionalmente, la lubricación también
proporciona mayor protección contra el ataque de agentes corrosivos.
Debido a las grandes presiones que los cordones ejercen
sobre el alma, es necesario, en ciertos casos, que la misma sea de tipo
metálico en lugar de textil, evitándose así las deformaciones por
aplastamiento. Sin embargo, rara vez se emplea el mismo metal que el constituye
los cordones. Esto es así porque los objetivos de alma y cordón son distintos:
el alma debe aportar estabilidad y facilitar la lubricación y los cordones
deben resistir los esfuerzos.
Torsión: La torsión del cable es la técnica mediante
la cual se arrollan entre sí los alambres para construir cordones y éstos a su
vez se enrollan para dar lugar a los cables. Como parámetro definitorio de la
torsión, destaca esencialmente, el sentido de la torsión, que puede ser una
hélice de sentido derecho o una hélice de sentido izquierdo. Otro parámetro
importante es el de la posición relativa de los alambres en el cordón y de los
cordones en el cable. En la torsión llamada “regular”, los alambres están
torcidos en sentido opuesto al del cordón en el cable. En la torsión llamada
“lang”, los alambres respecto a los cordones y los cordones respecto al cable,
tienen el mismo sentido de torsión.
6.4.3.- CABLES DE APARATOS DE ELEVACIÓN
En general, una carga tiende a girar cuando está colgada por
un único cable, haciéndolo en el sentido opuesto al de arrollamiento de los
cordones y alambres, tendiendo, por tanto, a desenrollar el cable.
Cuando la altura del izado es considerable, los problemas
del giro y desenrollado de los cables cobran mayor importancia, siendo
necesario establecer limitaciones de altura libre de izado en función del
diámetro y tipología del cable. Todas estas cuestiones han de tenerse en cuenta
en aparatos de elevación como grúas, etc.
Los problemas generados por la torsión de los cables pueden
dañar al cable, además de reducir la seguridad de las personas. Hay situaciones
en que se resuelve este problema utilizando cables de torsión derecha e
izquierda trabajando en pares, para lo que hay que tener en cuenta que los
cables de torsión izquierda se fabrican solamente bajo pedido.
Existe otra manera de resolver este problema, es el empleo
de cables antigiratorios. Estos cables se componen de un cable interior que
ejerce de alma sobre la que se enrolla una capa adicional de cordones. El cable
interno y la capa exterior de cordones tienen torsión de sentido contrario, por
lo que ante una carga suspendida, el cable interno tiende a girar en un sentido
y los cordones externos en el contrario. El resultado final es que el cable no
gira. Pese a las ventajas que tiene este tipo de cables, sólo se emplean cuando
los cables de torsión regular derecha no cumplen bien su función, es decir, en
alturas no convencionales.
6.4.4.- CABLES ELÉCTRICOS
Los cables eléctricos suponen uno
de los usos más importantes de los metales. En este ámbito destaca el empleo
del cobre y del aluminio.
El cobre, tras la plata, es el
metal más conductor, sin embargo, debido a su menor coste, se emplea más el
aluminio. Esta economía se justifica por dos razones, el propio metal es más barato
pero, además, como es mucho menos denso, al construir las infraestructuras se
pueden situar las torretas eléctricas con una mayor separación. Como
consecuencia de esto, para las líneas aéreas de alta y media tensión se emplean
cables de aluminio desnudo con un alma de acero que tiene por misión resistir
el peso del cable.
Sin embargo, en la
baja tensión, se emplean cables de cobre, ya que estas instalaciones
transportan grandes intensidades que hacen competitiva la gran conductividad
del cobre. Estos cables están protegidos por aislantes plásticos individuales
que los separan entre sí y por un segundo aislante que los protege del
exterior, sobre todo de la acción el fuego.
En España, las instalaciones
monofásicas emplean 3 cables de colores diferentes, la fase, que puede ser
negro, gris o marrón, el neutro, siempre azul y la toma de tierra, que es
amarilla y verde. En el caso de instalaciones trifásicas, donde hay tres fases,
éstas se identifican por los colores negro, marrón y gris, utilizando como
antes, el azul para el neutro y el verde y amarillo para la toma de tierra.
Existen muchos otros tipos de cables eléctricos que suponen infraestructuras
enteras como son las redes de datos, donde se emplean pares de cables fase y
neutro con bajo voltaje.
6.5.- OTRAS APLICACIONES EN INGENIERÍA
6.5.1.- CARRILES
La infraestructura por la que circulan los trenes se compone
de varios elementos que permiten transmitir el peso del vehículo al terreno
natural. Dentro de esta infraestructura, existen unos elementos metálicos de
crucial importancia, los carriles, que tienen como misión soportar y
guiar la rodadura de los trenes. Históricamente han existido diversas formas de
carril, sin embargo, actualmente, sólo se emplea el carril de patín plano o
carril Vignole. Este tipo de carril se compone de patín, alma y cabeza.
Los carriles se
fabrican por laminación en caliente de aceros perlíticos microaleados,
microestructura que les confiere una buena combinación de resistencia mecánica
y al desgaste, y valores razonables de ductilidad y resiliencia que aportan la
seguridad necesaria.
En España, en las infraestructuras ferroviarias, únicamente
se emplean carriles pesados de más de 40 kg/m, que permiten el transporte de
altas cargas por eje y también de trenes de alta velocidad. Actualmente las
vías no poseen juntas, ya que se constituyen por carriles que se sueldan entre
sí dando lugar a la barra larga soldada, sin juntas. Sin embargo, los
fabricantes suministran los carriles en piezas de 180 m, que se pueden colocar
una a una en obra o que se sueldan en taller en longitudes comprendidas entre
108 y 288 m y posteriormente se trasladan a obra en tren (en camión resulta
imposible). El resultado final es siempre el mismo, un carril continuo sin
juntas.
6.5.2.- ANDAMIOS, PUNTALES Y CIMBRAS
Existen múltiples
elementos metálicos que sirven de elementos auxiliares en las fases de
construcción de estructuras, tanto de obra civil como de edificación. Dentro de
ellos, los andamios se emplean para que los trabajadores puedan acceder a
cualquier altura de manera segura y cómoda. Por otro lado, se emplean mucho los
puntales y cimbras, que sirven para apear elementos que no se sostienen por sí
mismos, como encofrados, en los que se vierte hormigón fresco, estructuras
metálicas a soldar in situ, etc. En general, los puntales y cimbras se emplean
prácticamente en todas las obras.
6.5.3.- TUBOS
Los tubos metálicos permiten conducir líquidos y gases. Se
suministran en longitudes estandarizadas de 6 o 12 m y también de 25 m, cuando
se emplea el transporte ferroviario. Estos tubos se unen en obra para
constituir canalizaciones, existiendo varios métodos de unión entre tubos:
soldadura, roscado y adhesión.
Para canalizaciones de agua se emplean básicamente tubos de
acero o fundición y también de cobre, aunque cada vez tiene mayor presencia el
PVC. Las tuberías de cobre se utilizan, principalmente, en diámetros pequeños
en edificación, uniéndose entre sí mediante soldadura a baja temperatura. Las
canalizaciones de acero y fundición, se emplean en las líneas de abastecimiento
de agua de poblaciones, ya que son capaces de resistir las presiones del agua.
En el caso de grandes instalaciones como las de transporte
de gas, agua, combustible y compuestos químicos, se emplean siempre tubos de
acero, que en muchas ocasiones se galvanizan y también se plastifican
superficialmente. Para proteger estas infraestructuras de la corrosión es muy
frecuente el uso de ánodos de sacrificio o de corriente impresa. Existen además
piezas de geometría compleja, como válvulas y codos, comúnmente empleadas en la
construcción de canalizaciones que se fabrican con fundición.
Los tubos se pueden fabricar de diferentes maneras, por
laminación en caliente, utilizando fleje que se arrolla helicoidalmente para
después soldar la junta y, también, con chapa que se curva y se suelda en un
cordón continuo longitudinal.
6.5.4.- BARRERAS DE SEGURIDAD
Las barreras de seguridad son elementos de protección que se
sitúan en los bordes de las carreteras para evitar, en caso de accidente, daños
mayores en los vehículos al caer por desniveles, chocar con taludes, etc. Se
componen de dos partes: la barrera y el poste. La barrera está hecha de chapa
laminada que se conforma en frío dándole la característica forma ondulada y el
poste es un perfil tubular o CPN estándar. Ambos componentes se protegen de la
corrosión mediante galvanizado en caliente.
6.5.5.- CARPINTERÍA METÁLICA
El término carpintería metálica hace referencia a elementos
tales como puertas, ventanas, etc. Estos elementos se pueden fabricar en acero,
lo cual es habitual en instalaciones industriales o en aluminio o PVC, más
frecuentes en edificación. De todos modos, si se emplea carpintería metálica
sobre una estructura metálica, ha de tenerse en cuenta la compatibilidad
galvánica de los elementos y, en los casos precisos, disponer juntas aislantes.