Materiales de construcción: acero

Materiales Acero - 1 Materiales de construcción: acero Materiales Acero - 2 Este material es motivo de varias asignaturas que lo tratan en profundidad, por lo que solamente se van a enumerar los conocimientos que el alumno debe recordar y se explicará algún aspecto específico del acero en la construcción que pudiera no haber sido tratado en anteriores asignaturas 1

Productos básicos estructurales PRODUCTOS BÁSICOS ESTRUCTURALES Materiales Acero - 4 Armaduras pasivas (no pretensadas) Chapa y perfiles Armaduras activas (para pretensado) 2

PRODUCTOS BÁSICOS ESTRUCTURALES Se llama armaduras pasivas (hormigón armado y pretensado): a las que no son pretensadas. Materiales Acero - 5 PRODUCTOS BÁSICOS ESTRUCTURALES Se llama armaduras activas : a las de pretensado Materiales Acero - 6 3

Propiedades Materiales Acero - 29 PROPIEDADES (ya vistas en ciencia de materiales y resistencia) Estructura química cristalina compacta y homogénea: es el material estructural más cercano a la isotropía Diagramas tensión-deformación Se determinan mediante ensayo a tracción con probeta normalizada. Se usan simplificaciones Iguales en tracción y compresión (pretensado: sólo tracción) Diferente diagrama para los aceros de dureza natural y para los endurecidos por deformación en frío. 4

Materiales Acero - 34 PROPIEDADES Diagrama tensión-deformación para estructura metálica (simplificado) f yk es el valor característico de la resistencia del acero que presenta un nivel de confianza del 95%; es decir, que existe un 95% de probabilidad de que sea superado (5% a la inversa!!!). (Jiménez Montoya et al) Materiales Acero - 36 PROPIEDADES Diagrama tensión-deformación para armaduras pasivas (simplificado): de aceros de alta resistencia (tracción y compresión) Para el caso de zonas sísmicas las normas pueden establecer exigencias específicas de ductilidad. 5

Materiales Acero - 37 PROPIEDADES Diagrama tensión-deformación para armaduras activas (simplificado) (tracción) σ f p Límite elástico: aprox. 0,8 a 0,9 de su resistencia a tracción (a rotura) E=2 10 6 kp/cm2 (±) 1 % ε u 2 3 4 5 ε Materiales Acero - 39 PROPIEDADES Densidad muy alta: 8 t/m 3 (la más alta de todos los mats. estructurales). Resistencia: Muy alta (también la más alta), tanto a tracción como a compresión (y, por tanto, en las demás facetas: flexión,...) Aceros dulces: de 3.500 a 6.100 kg/cm2 (350 a 610 MPa) Cables hasta 25.000 kg/cm2 (2.500 MPa a tracción; véase en hormigón) Tiene el ratio resistencia / peso más alto de los materiales estructurales normales (acero, madera, hormigón) 6

Materiales Acero - 40 PROPIEDADES Ductilidad (ensayo de plegado): es un material dúctil (facilidad para doblado y otras transformaciones mecánicas). Fragilidad. Depende de la composición química y de la temperatura pero, en general, el acero estructural actual es un material poco frágil (salvo si la temperatura es muy baja: puede producirse rotura frágil) Corrosión: problema (el acero inoxidable no se usa en construcción, debido al coste) Materiales Acero - 41 PROPIEDADES OTA: ductilidad. Es la propiedad que presentan los materiales cuando, bajo la acción de una fuerza, sufren grandes deformaciones antes de romperse. Esta deformación es de tipo permanente, es decir, no se recupera una vez retirada la carga. El concepto de ductilidad es opuesto al de fragilidad ante deformaciones, que se da en el material que se rompe sin apenas deformación. 7

Materiales Acero - 43 PROPIEDADES OTA: tenacidad. Propiedad mecánica relacionada con la cohesión interna de las partículas del material. o se identifica con la dureza, sino más bien con la ausencia de fragilidad ante el golpe. Determinados materiales muy duros, como el vidrio normal, presentan una elevada fragilidad al golpe, lo que condiciona su utilización. La fragilidad de un material, además de ser una característica estructural, se relaciona con tensiones internas provocadas durante la fabricación del material estructural o de la estructura misma. La tenacidad es la resistencia que opone un mineral u otro material a ser roto, molido, doblado o desgarrado, siendo una medida de su cohesión. Debido a todo lo anterior, y teniendo en cuenta que las estructuras edificatorias no suelen soportar golpes, podría pensarse que no es una propiedad demasiado importante. De todas formas, todo material estructural debe tener una tenacidad lo más alta posible, para el caso de accidentes. PROPIEDADES Comportamiento ante el fuego: problema (1) (2) Materiales Acero - 44 Por encima de los 400ºC: Se pierde la linealidad y crecen las deformaciones (1). Y, sobre todo, empieza a PERDER RESISTECIA muy aceleradamente (2). En un incendio se alcanzan rápido los 400ºC, y también mucho más. 8

Materiales Acero - 45 PROPIEDADES Comportamiento ante el fuego Además, su conductividad térmica (muy elevada: 45 Kcal/m 2 h ºC) propaga la temperatura al resto de la estructura de manera muy rápida. Con todo ello, basta un incendio menor (600ºC) para que pierda la mitad de su resistencia y se produzcan deformaciones permanentes tan grandes que inutilizan la estructura (se produzca el colapso o no). Comportamiento tensional 9

Materiales Acero - 49 COMPORTAMIETO (ya visto en resistencia y estructuras) Su comportamiento tensional es el más cercano a la isotropía de todos los materiales estructurales de construcción (acero, hormigón armado, hormigón pretensado, madera aserrada, madera laminada encolada, fábricas). Por tanto, el alumno conoce ya (resistencia de materiales, estructuras) el comportamiento elástico a tracción, compresión, flexión, cortante y torsión, y las técnicas de cálculo elástico. Y tiene una idea introductoria del comportamiento plástico del acero y de su cálculo plástico. Por ello no se van a tratar aquí de nuevo estos aspectos, cosa que sí se hará con el hormigón armado, el hormigón pretensado y la madera. Chapa y perfiles normalizados (estructura metálica) 10

CHAPA Y PERFILES ORMALIZADOS Materiales Acero - 51 Se usan para estructura metálica, bien utilizando directamente perfiles normalizados, bien diseñando perfiles que se construirán mediante piezas de chapa cortadas a medida y soldadas (vigas y soportes armados) En estructura metálica, dadas la alta densidad del material, hay que utilizar secciones muy eficientes (momento de inercia muy alto en comparación con el área de la sección): secciones en T, U, doble T, tubulares (esto es factible gracias su alta resistencia). Como cualquier otro componente constructivo, hay que prefabricarla en elementos de tamaño limitado por el transporte CHAPA Y PERFILES ORMALIZADOS Materiales Acero - 52 El ensamblaje en obra de piezas prefabricadas implica la necesidad de que todo encaje como en un mecano, y tanto más si la estructura es atornillada: tolerancias La fabricación del perfil y la prefabricación de la estructura se hacen en un entorno de mayor calidad que otras estructuras (hormigón armado in situ): permite menor coeficiente de seguridad Por todo lo dicho con anterioridad, en general, la estructura metálica permite grandes cargas, grandes luces (estructuras esbeltas), gran ligereza, y muchas alturas. 11

CHAPA Y PERFILES ORMALIZADOS: PERFILES Laminados en caliente (uso habitual) Materiales Acero - 53 Conformados en frío (menor uso) CHAPA Y PERFILES ORMALIZADOS: PERFILES Materiales Acero - 54 Laminados en caliente: Perfiles estándar lineales y también curvos. Grandes cargas Grandes luces Muchas alturas Conformados en frío: Más ligeros (economía) Fabricación menos compleja Elementos estructurales secundarios: por ejemplo, de estructuras de cubierta (correas), o de fachada (correas, montantes para muros cortina) 12

CHAPA Y PERFILES ORMALIZADOS: CHAPA Chapa (laminada en caliente): Para vigas y soportes armados Mismas aplicaciones que los perfiles normalizados (grandes cargas, grandes luces, muchas alturas), pero sólo cuando los perfiles normalizados no solucionan el problema (cargas o luces más allá de lo que permiten los perfiles normalizados). Estos perfiles armados se pueden diseñar usando perfiles normalizados a los que se aumenta su canto a base de chapa. (Argüelles) Materiales Acero - 56 CHAPA Y PERFILES ORMALIZADOS: CORROSIÓ Protección frente a la corrosión: Con pinturas especiales (de compuestos de zinc) Formando una capa o capas anteriores a las de la pintura cuyo color se desea O que traen ya un color adecuado, y se utilizan como única pintura a aplicar Siempre se realiza un chorreado o granallado previo al pintado (proyección de pequeñas esferas metálicas -p. ej., diámetros del orden de 1 mm-, a gran velocidad)... 13

CHAPA Y PERFILES ORMALIZADOS: CORROSIÓ Materiales Acero - 57 Protección frente a la corrosión:... Mediante la protección autorregulable que supone al óxido de zinc con el zincado o galvanizado en caliente, que aporta un metal (zinc) con menor potencial electroquímico (mediante un proceso electroquímico), que se oxidará antes que el acero, y lo protegerá: de poco uso en estructura metálica (mayor uso en productos no estructurales), salvo en el caso de perfiles ligeros (cuyo pequeño espesor los hace todavía más sensibles a la corrosión); el problema es que no es estéticamente agradable y, por otro lado, no debe pintarse o debe pintarse con pinturas especiales (de lo contrario, la pintura se cae en poco tiempo). CHAPA Y PERFILES ORMALIZADOS: FUEGO Materiales Acero - 58 Protección frente al fuego: Con pinturas ignífugas o intumescentes que se expanden con el fuego, generando burbujas en su interior y generando una capa de protección con un coeficiente de transmisión térmica muy bajo. Ventaja: la estructura queda vista Problema: el tiempo de protección es reducido (normalmente EF15, EF30, y hasta EF 60 con algunos productos); no se puede usar cuando se requiere mucha protección (cuando es alta la exigencia de tiempo a resistir ante el fuego en condiciones de estabilidad) 14

CHAPA Y PERFILES ORMALIZADOS: FUEGO Materiales Acero - 59 Protección frente al fuego:... Con morteros especiales proyectados Ventaja: la protección aumenta Problema: la estética es deplorable Con albañilería (fábrica de ladrillo, o albañilería seca con placas o paneles ignífugos) Ventaja: la protección aumenta mucho Problemas: la estética mejora, pero no suele ser mejor que con la estructura vista, y el precio se dispara, haciendo esta solución absurda casi siempre... CHAPA Y PERFILES ORMALIZADOS: FUEGO Materiales Acero - 60 Protección frente al fuego:... Dejando la estructura por el exterior del edificio Y disponiendo un cerramiento adecuado (!) Fábrica Glaxo, Aranda de Duero... 15

CHAPA Y PERFILES ORMALIZADOS: OTROS Materiales Acero - 62 Otras particularidades con respecto al acero para estructura metálica quedan reflejadas más adelante en el capítulo de estructuras Acero para armado (armaduras resistentes en hormigón armado y armaduras pasivas en hormigón pretensado) 16

ARMADURAS RESISTETES Y PASIVAS Materiales Acero - 64 Otras particularidades con respecto a estas armaduras quedan reflejadas más adelante en este capítulo, en el subcapítulo de hormigón armado, y en el capítulo de estructuras Acero para pretensado (armaduras activas; hormigón pretensado) 17

ARMADURAS ACTIVAS: tendones listos para su uso (Castelo) ARMADURAS ACTIVAS: tendones listos para su uso (Castelo) 18

ARMADURAS ACTIVAS Materiales Acero - 68 Temperatura; peor que el acero normal frente al calor / fuego: hay que protegerlas. Corrosión: más sensibles a la corrosión que los otros productos básicos de acero ya vistos. La protección a ambos fenómenos se realiza al quedar estas armaduras dentro del hormigón. ARMADURAS ACTIVAS Materiales Acero - 74 Relajación isotérmica de armaduras (r) Es la pérdida relativa de tensión, a lo largo de un tiempo determinado (1.000 horas), a una temperatura dada (t=20ºc), en una probeta de longitud constante sometida a una determinada carga inicial de tracción (al 70% de la carga de rotura) 19

ARMADURAS ACTIVAS Materiales Acero - 77 Otras particularidades con respecto a estas armaduras quedan reflejadas más adelante en este capítulo, en el subcapítulo de hormigón armado, y en el capítulo de estructuras Acero para sistemas constructivos no estructurales 20

SISTEMAS COSTRUCTIVOS O ESTRUCTURALES Materiales Acero - 79 Protección frente a la corrosión: además de lo ya visto (pinturas, galvanizado...): Acero corten: aleación con níquel, cromo, cobre y fósforo que, tras un proceso largo de sucesivos ciclos de humectación y secado toma una pátina de óxido estéticamente agradable y que no se desprende en escamas, como el óxido del acero normal; todo ello sin perder resistencia ni soldabilidad. De uso en fachadas, pero no en estructuras.... Materiales Acero - 80 Acero corten perforado en fachada local de ocio en Curno, Italia. 21